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几何引擎:推出SGI的传奇芯片

2021年2月5日
图形芯片编年史第5卷第4期-几何引擎是一个工程奇迹,一个特殊用途的处理器能够执行许多在图形中使用的基本计算。

虽然它实际上不能操作任何像素,但1981年推出的几何引擎是一款突破性的处理器,能够执行图形中许多最关键的数学功能。

几何发动机是一个工程奇迹。这个特殊用途的芯片基于一个四分量向量、浮点处理器,用于计算机图形学中三个最基本的操作:矩阵转换、剪辑和映射到输出设备坐标。这款处理器由斯坦福大学(Stanford University)的吉姆•克拉克(Jim Clark)和马克•汉纳(Marc Hannah)于1981年开发,是第一个专门用于顶点处理器的处理器,而顶点处理器如今已成为现代gpu的一种商用组件。

同年晚些时候,克拉克创立了硅图形公司(Silicon Graphics Inc.),该公司成为有史以来最著名、最有影响力的图形公司之一。SGI于2009年被Rackable Solutions收购,并于2016年被惠普企业收购。这笔交易终结了SGI的时代,但并未终结其传奇。


1980年初在桑福德大学时,克拉克发表了一篇关于nMOS半导体性能及其在超大规模集成电路(VLSI)设计中的应用的论文。他说:“该系统被设计用来执行计算机图形学中三个非常常见的几何功能。一种单芯片类型用于12种略有不同的配置,以完成4 × 4矩阵乘法;线条、字符和多边形裁剪;以及缩放剪辑的结果以显示设备坐标。这种芯片被称为几何引擎。”

几何引擎是一个四分量矢量函数单元,允许对浮点数进行简单的操作。指令集结构(ISA)由四个相同的功能单元组成,每个功能单元有一个8位的特性和一个20位的尾数。引擎用一个非常简单的结构完成了操作,这个结构包括一个算术逻辑单元(ALU)、三个寄存器和一个堆栈。

这个基本单元可以对尾数或特征值进行并行加减法和其他类似的双变量运算。因为一个寄存器可以向下移位,另一个寄存器可以向上移位,引擎也可以以每个微循环一个乘或除步骤的速度处理乘法和除法。


12芯片系统由由这5个元素组成的单个位片布局的1344个副本组成。芯片上的四个引脚被连接起来,根据它在子系统组织中的位置,告诉微码它应该做的12种功能中的哪一种。

设计的关键是使用设计技术倡导的Carver Mead和Lynn Conway在开创性超大规模集成电路系统简介.这本书对几何学引擎架构的方法论产生了重大影响。

几乎每个图形系统都必须能够执行三种几何操作:转换、裁剪和缩放。图1演示了这三个函数。

几何引擎的架构在图1和图2中进行了说明,图2摘自Clark的出版作品。图3底部三分之二的四个功能单元中的每一个都由计算单元、尾数和特征的两个副本组成。芯片内部的时钟发生器在左上角,而带有下推子程序堆栈的微程序计数器在右上方。芯片的上三分之一包含了控制存储器,它的容量相当于40kb,包含了所有用于执行指令和浮点运算的微码。


就在他发表里程碑式的论文之后λ由克拉克、查尔斯·库塔、库尔特·阿克利、大卫·j·布朗和阿比·西尔弗斯通组成的一个半导体工程师小组创立了硅图形公司。他们在一个名为集成光栅成像系统(IRIS)的工作站使用了几何系统板,该系统由以下组件组成:

  • 一个带有Motorola 68000和256kb RAM的处理器/内存板,它可以扩展到2mb。68000微处理器在8mhz的板载内存中执行指令。为16个进程完全映射和分割内存。额外的内存是通过Multibus以正常的Multibus速率访问的。
  • 一个几何子系统,具有多总线接口FIFOs在几何系统的输入和输出,从10到12个几何引擎的拷贝。
  • 一个1024 x 1024颜色光栅子系统,具有高性能的硬件,用于多边形填充,矢量绘制和任意可变间距字符。硬件和固件提供颜色和纹理线和多边形,字符裁剪,多达256种颜色的颜色映射和可选择的双或单缓冲图像平面。
  • 10mbps以太网接口板。


几何发动机在尺寸和性能上也是一个突破。Matrox是领先的图形插件(AIB)制造商之一,在1978年推出了他们的第一个PC图形板,是第一家提供单一3D AIB的公司,1987年的SM 640。Matrox一直在为PC制作2D图形板,并在第二层夹层板上采用了SGI的几何引擎芯片来处理3D工作。

但由于pc上的3D应用程序数量有限,该产品在商业上是一个失败。将小型机和工作站应用程序移植到PC上所花的时间比预期的要长得多,但它在当时点燃了所有AIB供应商的想象力。

1987年,由于克隆产品的出现,PC市场逐渐远离IBM,于是IBM推出了一种专有的操作系统OS2,以及一种新的高带宽AIB总线,即微信架构(MCA)。1991年,SGI推出了基于微信的IrisVision,这是高端PC市场上第一批3D加速卡之一。


几年后,IBM为基于power1的工作站的RS/6000 POWERstation系列授权了图形子系统和当时新的IRIS图形库(IRIS GL) API。

几何系统是一个强大的图形应用计算系统。它在一个定制的VLSI系统中结合了几个有用的几何计算原语,该系统在本质上也是可伸缩的。在5年的时间里,该系统在一个50万个晶体管集成电路上实现,相应地降低了成本,提高了速度。

SGI被PC征服了。但几何学引擎的遗产在改善游戏图像、科学可视化、设计和视觉特效方面发挥了核心作用。它的许多基本特性在今天使用的数亿个现代gpu中都能找到。

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