電腦達人養成計畫 5-5:歷代 2D 圖形顯示介面介紹 (中) 1990 年代前期

如同上一節談過的,從本節開始我們要看的是廠商開始專精針對特定主流作業系統發展、優化的 2D 圖形加速卡,在 1990 年代這十年裡 2D 圖形運算逐漸達到極致,3D 繪圖運算也逐步開始走入消費性個人電腦市場 (實際上 1970~1990 年代 3D 繪圖運算就一直有在發展了,只是主要僅止於工作站甚至大型伺服器領域,本篇只談 2D 圖形運算的部分,3D 圖形加速卡留待之後介紹),要說在個人電腦顯示的發展上 1990 年代是最為關鍵的十年其實也不為過。

ATI 的早期發展

不過在開始談 1990 年代的 2D 圖形加速卡發展之前,我打算先談上節沒有提到,但很重要的一間公司,也就是現在 AMD 顯示晶片部門的前身-ATI。

ATI

ATI 創辦的時間點比起它近 15 年內的主要對手 NVIDIA 來得早很多,早在 1985 年就創立了 (順帶一提 1985 年是很關鍵的一年,第一版 Windows 也是在這年發佈的),創立之初的 ATI 是一間 OEM 廠商 (原始設備製造商),主要的業務是替各種 IBM PC 相容機生產顯示晶片。

我在上節一直沒有提 ATI 的原因其實就是這點,因為 ATI 主要做的事情實際上是「跟風」IBM 提出的顯示系統標準,並推出價格比 IBM 低廉或性能上表現更佳的相容產品 (例如 EGA Wonder 系列就是設計用來提供與 EGA 相似規格的產品,當時一張約 350 ~ 400 美金左右,比起 IBM 本家光是 EGA 本身一張就高達 584 美金的報價算是便宜不少了吧?而且最厲害的是 ATI 推出的顯示卡在功能上還三不五時會超越 IBM 本家的產品)。

因此儘管我先前在介紹上選擇以制定規範的 IBM 推出的產品為主,但由於 IBM 本家產品的價格實在過於「精美」,因此實際上 ATI 在當時能見度與市佔率都是很高的。

最後要特別談到的是,ATI 靠著設計、生產與 IBM 本家產品的相容版 (Clone) 維生的時代基本上一路延續到 1991 年的 Mach 8,這是 ATI 第一款特別為 Windows 進行優化的 2D 圖形加速卡,也是最後一次基於 IBM 的設計製造出的產品 (Mach 8 可以被看作是 IBM 8514/A 的 Clone)。

百家爭鳴的 1980 年代、1990 年代初期

顯示晶片廠商從 1980 年代最初由 IBM 一人獨霸並制定各種系統與規範 (主要是使用 Motorola 推出的 6845 CRT 控制晶片為基礎) 開始,由於 IBM 自家的產品實在太貴了,因此類似於 IBM PC 相容機大量出現的狀況,逐漸有競爭對手加入生產相容於 IBM 自家顯示卡甚至是改良版的產品。

在這個時期裡最早出現的知名廠商主要有 Hercules Computer Technology, Inc. (海克利斯,創立於 1982 年)、Tseng Labs (曾氏實驗室,創立於 1983 年)、ATI Technologies (冶天科技,創立於 1985 年)、Trident Microsystems, Inc. (泰鼎微系統,創立於 1987 年)。

而這樣百家爭鳴的情況隨著 XGA 時代之後 IBM 不再作為居高臨下制定規格標準的角色,眾家廠商開始對 VGA 進行各種延伸之後 (稱為 Super VGA,實際上 Super VGA 不是一個「標準規範」,只是「以 VGA 為基礎進行延伸」之眾家系統的統稱」) 變得更加盛行。

以當時的情況來說,1980 後半 ~ 1990 前半之間在台灣比較有能見度的是 Tseng Labs 與 Trident 這兩家公司的產品,ATI 與 IBM 本家的產品則比較少見,最直接的證據就是當時主流的中文系統 (例如倚天中文) 中內建支援的顯示晶片幾乎都有 Tseng Labs 與 Trident 推出的產品可供選擇,反而不見得有 ATI 與 IBM 本家的產品可選。

我個人猜測當時 ATI 與 IBM 本家的產品之所以在台灣不盛行應該是價格的原因,儘管 ATI 的產品比 IBM 本家來得便宜,但即便是在美國當地有許多文件的紀錄也是將 ATI 描述為頂級顯示卡的製造商,加上 ATI 的產品與 IBM 本家當代最新的產品往往相似度頗高,所以接下來我就先挑 Trident 與 Tseng Labs 這兩家公司出來介紹。

同期的其他重要公司還有 Cirrus Logic (不過由於模式與 ATI 類似,且在 1990 年代初期就被 Trident、S3 等公司聯合逐出市場了所以就不多談)、Chips and Technologies (先前在晶片組的部分介紹過,這家主要為人所知的地方是在晶片組的早期發展,在顯示晶片方面則是主要在筆記型電腦市場上獲得成功,因此在這裡也不多談,後來被 Intel 收購)、Intel (基本上只發展過一款獨立顯示卡 i740,而且性能不佳因此就不特別介紹了)。

Trident Microsystems, Inc. (泰鼎微系統)

靠著超低價位攻城掠地

泰鼎微系統這間公司最早是以向 OEM 顯示卡廠商出售自家的 SVGA 顯示晶片起家的,首款主力產品 (能夠完整支援 VGA 規範) 是 1988 年推出的 TVGA8800 系列 (這裡的顯示晶片還只是「顯示子系統」的意義,也就是只負責輸出與訊號轉換的部分,實際上的 2D 圖形演算還是由處理器負責的)。

Trident 所推出的產品,最主要的特色就是「廉價與便宜」,在廣告的時候也特別強調「價格低廉」這一點,以下面這張摘自 1990 年美國某電腦雜誌的廣告來說就是如此。

儘管價格低廉,但性能不彰也是事實

Trident 靠著價格優勢在當時的 OEM 市場佔有相當大的空間,儘管 Trident 的顯示晶片在性能方面並不突出,但還是獲得非常多板卡廠的採用,由於 Trident 在這樣的商業模式下獲得了一定程度的成功,因此在進入 2D 圖形加速卡時代之後 Trident 也繼續維持著這樣的策略。

以上面這張 Trident TVGA9200CXr 來說吧,這是 Trident 第一張針對 Windows 系統設計的 2D 圖形加速卡 (GDI 加速卡),即使用上了 Local Bus,但當時人們給予它的評價仍然是「極慢」,至於這張以前的 Trident 顯示卡在性能方面更是被當時的人們冠上「悲劇」一詞。

但儘管在性能方面是個「悲劇」,Trident 的顯示卡價格通常都在 100 美元以下,不得不說這樣的低價確實很大程度上幫助了個人電腦的普及,而 Trident 顯示卡的性能直到進入 1994 年推出的 TGUI9440 系列 (上圖) 才開始有明顯的成長,足以與當時主流的顯示卡匹敵。

僅依賴壓低價格是難以抵抗發展洪流的

雖然 Trident 靠著低價搶攻市場而在 1980 年代末期到 1993 年之間獲得了相當高的市占率與獲利,但終究這樣的作法在快速發展的電腦產業當中是無法長久維持的,在 1996 年 S3 Graphics 挾著強勁性能在顯示卡市場中蠶食鯨吞的時候,Trident 有很長一段時間並沒有辦法推出任何足以與之抗衡的產品。

無法抗衡的下場理所當然就是在市場的節節敗退,即便是 Trident 曾經推出過在性能上與 S3 Graphics 產品能互有優劣的產品-TGUI9680 系列 (上圖) 出現,但在即將成為未來趨勢的全彩模式下 TGUI9680 系列性能仍然不敵 S3 Graphics 的產品,再加上 ATI 漸漸往低階入門市場擴張、SIS 也加入這場競爭,種種不利之下最終 Trident 只能被迫從創辦以來就一路養育著自己的 OEM 入門級市場中撤退。

(關於 Trident 之後的故事發展,由於是屬於 3D 圖形加速卡的範疇,所以我打算以後再談,下一頁開始我打算接著講 Tseng Labs。)

Tseng Labs (曾氏實驗室)

命運多舛的草創時期與轉型

Tseng Labs 草創時期的命運其實還蠻多舛的,TLI 一開始是 IBM 的 OEM 合作廠商之一,當時主要發展的產品目的是用於讓 IBM PC 得以執行古典的 CP/M 作業系統 (在 IBM PC 推出之後這東西就被 DOS 取代掉了),不過最後這個與產品相關的 OEM 合約被取消了。

而之後由於這個出生之前就被腰斬的產品在研發的過程中與設計顯示晶片很有關係,於是 Tseng Labs 後來轉型為自行設計與生產 IBM PC 相容機使用的顯示晶片為主的公司。

初試啼聲就獲得滿堂彩:UltraPAK (1984)

Tseng Labs 轉型後的第一個產品是 UltraPAK (1984 年),主要功能是向 IBM PC 與 IBM PC/XT 提供一些 IBM PC/AT 新增的顯示功能,並且給 MDA 和 HGC 提供「132 欄文字模式」,這讓 UltraPAK 獲得許多大型公司大量的採用 (因為當時的大型電腦所使用的終端機輸出的畫面就是 132 欄),在 UltraPAK 出現之前,如果要做到同等功能的話,得一口起買三張擴充卡才行。

當時的電腦雜誌將這款單色顯示卡形容為「last word」,也就是單色顯示卡被徹底淘汰之前最後、最強且最完整的產品,而 UltraPAK 也暗示著 Tseng Labs 日後的明顯傾向-主要致力於將現有產品強化而不是從頭砍掉重練,UltraPAK 系列顯示卡中有三個成員:UltraPAK、UltraPAK-S、UltraPAK/AGE,價格則落在 499 美元到 799 美元之間。

而後來 UltraPAK 系列 (儘管後續的 ColorPAK 系列已經在 1985 年推出) 又推出了僅保留與 HCG 相容的單色圖形模式顯示功能的降價版本 UltraPAK Short (又名 ET1000 系列,請注意 UltraPAK Short 與 UltraPAK-S 不是同一張卡!UltraPAK-S 只是拿掉序列通訊埠與時鐘日曆、電池的版本),基於這張卡設計出來的 DFI MG-150 後來更是成為史上銷售最佳的 MDA/HGC 相容卡。

跟上腳步進入彩色的世界:ColorPAK (1985)

如同剛剛所提到的,Tseng Labs 的第二代產品 ColorPAK 依然是以升級現有 IBM PC、PC/XT、PC/AT 的顯示功能為主,ColorPAK 是以 IBM 的 CGA 標準為基礎下去延伸的產品,與 IBM 自家的 CGA 卡相比最明顯的差異是 ColorPAK 可以顯示的顏色增加了很多,能夠支援的最高解析度也大幅提升到 640×400 (可同時顯示四種顏色)。

雖然在 ColorPAK 推出的同時間 IBM 的 EGA 也已經推出,但驚人的價格使得絕大多數人根本買不下手 (當時的電腦雜誌幾乎一面倒的表示,雖然 EGA 的畫面是很精美,但 EGA 的價格更是精美,別忘了還要買 IBM 官方的 EGA 螢幕,IBM 自家的螢幕一直以來評價都不是太好),相較之下 ColorPAK 的價格不到 700 美元,又可以繼續搭配原有的螢幕使用,因此 ColorPAK 應該也能算是一款成功的產品。

再次準備轉型:ET2000 系列 (EVA 系列) (1986)

在 ColorPAK 問世後一年,Tseng Labs 又以 ET1000,也就是 UltraPAK Short 為基礎發展出相容 IBM EGA 標準的 ET2000 型晶片,從這個時期開始 Tseng Labs 除了自行設計與生產顯示介面卡之外,也開始將自家設計的顯示晶片出售給其他 OEM 廠商。

其中 Tseng Labs 自家生產的 ET2000 系列顯示介面卡名為 EVA 系列,有 EVA 與 EVA/480 兩個型號,而 EVA 是 Enhanced Video Adapter 的意思,EVA 系列最為人稱道的地方是它是第一款延伸 IBM EGA 標準的顯示卡,對多種視窗操作 (例如放大或縮小) 提供了硬體加速能力,而在 EVA/480 中更是加入了對 640×480 解析度的支援 (理論上這種解析度要等 VGA 時代才有)。

回到 OEM 市場:ET3000 系列 (1987)

在隔年 Tseng Labs 推出 ET3000 系列晶片時,Tseng Labs 再次轉型回到自己最初的主場-OEM 晶片供應商,而幾乎不再直接生產、設計並對外零售顯示介面卡的成品。

ET3000 系列晶片是以相容 IBM 提出的 VGA 標準為目的設計的,或許某種程度上受益於 UltraPAK、ColorPAK、EVA 一路累積下來的聲譽吧?ET3000 在商業上獲得了不小的成功,Tseng Labs 也順勢成為當時的顯示晶片龍頭業者之一,有非常多板卡廠在設計顯示卡時都選擇了 Tseng Labs 提供的 ET3000 系列晶片 (甚至連 ATI 都有推出使用 ET3000 而非自家晶片的產品),也有許多電腦廠商在主機板上內建由 Tseng Labs 設計的 VGA 晶片 (包含 IBM、COMPAQ 等重要公司),更重要的是,採用這款晶片的顯示卡在台灣的電腦市場獲得了空前的成功,當時知名的啟亨 TRIPLEX 就是靠著 ET3000 系列顯示卡開始起飛的。

大獲全勝:ET4000 系列 (1989)

接下來在 1989 年 Tseng Labs 推出了公司發展史上最重要且最為成功的產品-ET4000 系列晶片,這款晶片的支援能力很強,根據搭配的記憶體高低的不同最高可以輸出高達 1280×1024 的解析度與具備在 800×600 解析度下顯示全彩畫面的能力,並且能夠支援變更解析度時不需要重新啟動電腦的功能。

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ET4000 可以搭配 ISA 介面或是 VESA Local Bus 介面使用,儘管還沒提供 Windows 圖形加速的支援 (還沒進入 1990 年代嘛),但這款晶片得益於 Tseng Labs 相當高性能的 ISA 介面設計能夠提供相當不錯的性能表現 (幾乎是 Trident 產品的兩倍),因此在市場上 ET4000 晶片獲得了前所未有的巨大成功。

之後在 1991 年 Tseng Labs 以 ET4000 為基礎發展了支援 Windows 下 GDI 2D 圖形加速能力與 VESA Local Bus 支援能力的 ET4000/W32,推出時與同期的競爭對手來說效能表現算是中等而並不突出,而且在有了硬體加速之後 Tseng Labs 特有的 ISA 匯流排設計就不那麼重要了,因此在 ET4000/W32 的時代 Tseng Labs 的地位便開始備受挑戰。

由盛轉衰的開始:ET4000/W32i、ET4000/W32p

在 1993 年附近推出的 ET4000/W32i 主要是以 ET4000/W32 為基礎修改而來,針對 2D 圖形處理核心的記憶體控制器進行了改良,記憶體頻寬因此獲得大幅度的提升,連帶對於性能也有不小的助益。

而後來 Tseng Labs 在 1994 年還推出了 ET4000 家族的最後一個成員-ET4000/W32p,與 ET4000/W32i 的主要差亦為改採原生 PCI 介面設計,但不論是 ET4000/W32p 或 ET4000/W32i 實際上都有搭配 VESA Local Bus 介面的成品卡出現。

然而這兩款卡 (包含其餘 ET4000 家族的所有成員) 都有著共同的缺點-並未將 RAMDAC 整合到圖形處理核心內,這對性能與成本上都有著不小的影響,使得 ET4000/W32p 與 ET4000/W32i 這兩款後期產品的競爭力受到了不小的減損,但 Tseng Labs 卻在相當後期才開始意識到這個問題,但要知道當時可是 1990 年代這個人電腦產業爆炸性成長的十年 (特別是 Windows 95 發佈之後,個人電腦對圖形運算的需求又爆增了不少),在那個年代裡只要稍加落後,可能就只有淪落為歷史塵埃的下場了。

而 ET4000/W32i 後來還有發生一些問題,早期的幾個修訂版的 PCI 性能表現不佳,甚至可能會有破圖的情況發生。

難以力挽狂瀾:ET6000

基本上 Tseng Labs 在自家顯示卡晶片內整合 RAMDAC 的過程並不算順利,真正有可以推出的產品居然一晃眼已經是 1996 年的事情了,在這個時期裡快速竄起的 S3 Graphics 與多年來始終穩坐前幾大龍頭地位的 ATI 當然不會給 Tseng Labs 任何喘息的空間,這兩年裡 Tseng Labs 產品的市占率在 ATI 與 S3 Graphics 的瓜分之下大幅下降,對公司的盈利狀況也帶來了嚴重的衝擊。

雖然在 1996 年推出的 ET6000 已經把 Integrated RAMDAC 這片拼圖給補上去了 (從下圖可以看到 RGB 輸出是直接從 ET6000 出來,中間不需要經過獨立的 DAC),但基本上為時已晚,被 ATI 與 3dfx 瓜分掉的市占早已難以找回,不過 ET6000 有一些設計挺特別的,值得特別抓出來看一下。

ET6000 為了達成超高的記憶體頻寬,因此在記憶體介面的部分採用高達 128-bit 寬度的匯流排,足足是同期 S3 Graphics 推出的 Trio 64 的兩倍,雖然性能確實足以讓人亮眼,但這也表示一般的記憶體設計與顆粒晶片是無法滿足 ET6000 需要的,或多或少這個決定應該也讓本來就相當緊迫的產品開發時程拉得更長,ET6000 的開發會花掉兩年或許跟這個決定也脫離不了關係。

而更加雪上加霜的是,為了達成這樣的設計實作,ET6000 使用的記憶體顆粒晶片也與其他廠商不同 (上圖右邊那兩大顆就是了),得使用一種由 MoSYS 公司所發展,名為 MDRAM (Multibank DRAM) 的記憶體。也因為這樣使得 ET6000 的銷售狀況很大程度的受到 MDRAM 供貨是否順利影響,而最終 MDRAM 也真的不幸無法滿足 ET6000 的出貨需要,這讓已經露出頹勢的 Tseng Labs 遇上的問題更加棘手許多。

整體來說 ET6000 本身還是一個不錯的產品,對於 Windows 系統下的 2D 圖形加速 DirectDraw 技術的支援度相當完整,性能表現方面也還不錯,但推出的時間太晚使其終究不足以挽回已經面臨危急存亡之秋的 Tseng Labs。

最後要提的是在 1997 年 Tseng Labs 還發表了以 ET6000 為基礎的增強版本 ET6100 (上圖),主要差異為支援更多的解析度模式 (高達 1600×1200 高彩模式與 1280×1024 全採模式)。

眼見市占率難以重返榮耀,放棄轉進 3D 世代

Tseng Labs 或許是認為消失的市占率已經不太可能回到手中,抑或是發現個人電腦的未來必然將逐步走向 3D 圖形發展,而僅有 2D 顯示技術的 Tseng Labs 恐怕在 3D 時代更加玩不過競爭對手,因此 Tseng Labs 董事會決定不再繼續投入資金進行後續產品的開發 (不然其實 Tseng Labs 的 3D 晶片計畫 ET6300 已經有一點進展了),而是選擇將現金保留在自己身上並將公司出售並且一口氣裁掉 20% ~ 30% 的員工 (消息來源)。

而買下 Tseng Labs 的不是別人,就是身為其兩大競爭對手之一的 ATI,並且在收購完成之後不久 ATI 就將 Tseng Labs 的研發團隊散入旗下的顯示卡開發團隊了,而進行到一半的 Tseng Labs ET6300 後來則成為第一代 ATI Radeon 與 Rage 128 的基礎。

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