软件倒逼硬件！当年没人相信x86能虚拟化，直到这家公司出现……
原创 Ernie Smith 2026-10-26 07:15 广东
x86 虚拟化如何从缺陷变成基石？
虚拟机是云计算的基石。两位科学家证明两个定理有误之后，它才真正找到了现代立足点。这中间发生了什么？
在现代计算机领域，虚拟化大概是最容易被当成理所当然的技术。包括云基础设施在内的很多核心场景，都离不开它。要知道，21 世纪初，虚拟机才在 x86 站稳脚跟。如今遍布各地的海量服务器集群，正是这条技术脉络顺理成章的产物。
但虚拟化的普及，绝非历史必然。当年英特尔几乎放弃了服务器虚拟化的路线，甚至打算推出新一代硬件，另辟赛道。然而一家初创公司横空破局：它不仅证实虚拟化可以落地，更催生了前所未有的云经济。
这在 IT 史上相当罕见：硬件，被迫追赶软件。
一、为什么当年没人相信 x86 能实现虚拟化？
20 世纪 70 年代的大型机时代，一个新概念走进人们的视野——Hypervisor，顾名思义，即“监管所有管理程序得程序”，它预示着软硬件深度协同的未来。
这个由 IBM 创造的名词，也叫虚拟机监视器（VMM，Virtual Machine Monitor）。它的核心构想是，把一台物理计算机切分成若干逻辑分区，各个分区在理论上彼此完全隔离。
这套机制具体是如何运作的？IBM 研究员 Gary Allred 在论文中给出了解释：
Hypervisor 的原理其实相对简单。它由两部分构成：一是仿真程序的附加模块，二是对带有兼容特性的 Model 65 大型机所做的硬件改动。这项硬件改动把 Model 65 划分为两个分区，每个分区的寻址空间都从 0 开始到最大地址 n。程序附加模块会用自身内容覆盖系统的程序状态字（PSW），并作为整个系统的中断处理器。当判断出是哪个分区触发了中断事件后，系统就把控制权移交到对应分区。Hypervisor 要求每个分区都配备独立专用 I/O 设备。正因如此，整套 I/O 配置通常十分庞大，成本高到绝大多数用户都负担不起。
所以它和现代虚拟机并不一样：这套方案实际上是同时运行两台完全相互隔离的计算机，仿佛二者之间毫无关联。
在大型机时代，这种设计有着现实意义，要知道，当时一台小型计算机的体积差不多就和自动售货机一般大小。
但众所周知，此后计算机的体积便不断缩小。先是比面包盒要大，接着缩小到面包盒级别，再后来差不多只有一条面包那么大；如今手机的大小，几乎就等同于一块面包。
有那么一段时期，计算机体积越小，计算能力往往也越弱，哪怕处理器主频越做越高。当然，性能受限并不仅仅是体积这一个因素造成的。
它看着像是一块方形晶圆，实际上却是由一圈圈环带构成。（图片来源：flickr，编号 508518299）
英特尔与 AMD 的 x86 处理器拥有庞大的指令集，让芯片硬件变得非常复杂。这恰恰给 Gerald Popek 与 Robert Goldberg 提出的虚拟化定理带来了难题。
"对于任何传统的第三代计算机，如果该计算机的敏感指令集是特权指令集的子集，则可以构建虚拟机监视器。"
——这是加州大学洛杉矶分校（UCLA）的 Gerald Popek 与霍尼韦尔公司的 Robert Goldberg 提出的三条定理中的第一条，用于判断在特定系统架构上能否实现虚拟化。他们发表于 1974 年的论文，在此后几十年间堪称虚拟化领域的 "摩尔定律"，成为衡量虚拟化可行性的分水岭。而 x86 系列处理器因其 CISC 架构特性，违背了这些定理中的许多基本原则。
英特尔为 x86 芯片设计了多层特权分级机制（保护环），初衷是缩减内核的攻击面，提升系统安全性。这套机制对筑牢安全防线十分有利，但如果你想在 Windows 2000 内部再跑一份 Linux，这套架构就显得捉襟见肘。这套权限体系限制了软件能够调用的指令集合，所以它无法像 IBM 在 System/360 大型机上那样，实现原生的虚拟化。
当然，在 Windows 2000 上模拟一台 Linux 机器在技术上并非完全做不到，但会产生巨大性能开销。相当于要用软件完整复现一套硬件，而这套硬件其实物理上就摆在眼前。这么做非常不合理。
这个问题并非英特尔一家独有，当年几乎所有主流处理器平台都存在同类缺陷，属于行业普遍困境。但由于 x86 的市场占有率极高，英特尔成了这一矛盾最典型的代表。
x86 指令集有十余处地方违背了 Popek 和 Goldberg 提出的虚拟化定理的前提条件，这就意味着，在当时现有的硬件体系之下，搭建高性能虚拟机几乎行不通。
二、两条被忽视的技术暗线
苹果工程师 Eric Traut 在 90 年代中期提交的动态重编译专利附图， 解决了老旧 Mac 应用在 PowerPC 上运行性能糟糕的问题
不过，当时已经出现一些新思路，暗示事情本不必落到这般境地。在 Mac 平台上，苹果完成过堪称魔术级别的架构迁移：从 68000 向 PowerPC 过渡时，它打造了一套转换层，几乎可以让旧代码近乎原生地运行。苹果最初采用的是模拟方案，后来转而使用一种叫做动态重编译（dynamic recompilation）的技术。
专利 US5790825A 由苹果员工 Eric Traut 开发，此人后来参与开发了大名鼎鼎的 PlayStation 模拟器 Connectix Virtual Game Station。
换句话说，该系统重新编程了旧代码，使其能够在MacOS上实时运行。这项技术非常出色，后续基于 PowerPC 的经典 MacOS 版本中，大部分软件仍然是模拟的68k代码。开发者不用更新程序，软件就可以直接正常工作。
与此同时，Java 编程语言普及了即时编译的概念：程序可以实时在目标机器上执行，不再被绑定到特定硬件架构。也正因如此，90 年代中期计算机杂志上大量关于虚拟机的讨论，都围绕这一技术展开。
JIT 堪称现代计算领域最重要的技术之一：浏览器用它加速 JavaScript 执行，现代虚拟化也建立在它的基础之上。JIT 已经证明，对应用程序做实时指令转译是可行的。但如果要转译完整操作系统呢？x86 架构的先天缺陷让这类方案举步维艰。
于是，那个源自大型机时代、一度被人淡忘的技术——Hypervisor，依旧没能重返主流。Popek‑Goldberg theorems 定理带来的桎梏，依旧困扰着现代计算机。不过，一台顶级 SGI Origin 2000 服务器上开展的计算机科学实验，即将彻底改写这一切。
三、从 SGI 到市场：Disco 实验如何变成 VMware
一台 SGI Origin 2000 服务器，VMware 创始人当年在斯坦福大学使用的正是同型号设备
如果说 Backrub（Google 的前身）是 90 年代中期斯坦福大学最重要的科研实验，那 Disco 项目，也就是 VMware 的技术源头，绝对可以排到第二位。
该项目由博士生 Edouard Bugnion、Scott Devine，以及导师 Mendel Rosenblum 主导开发，目标是破解种种阻碍虚拟机发挥全部能力的技术难题。在 1997 年发表的研究论文《Disco：在可扩展多处理器上运行通用操作系统》中，研究团队探讨了虚拟机与宿主机之间的资源共享机制。论文写道：
Disco 具备多项特性，能够缓解甚至消除传统虚拟机监视器存在的各类问题。具体来说，它大幅降低虚拟机带来的性能开销，提升同一台主机上多个虚拟机之间的资源共享能力。
Disco 支持不同虚拟机内运行的操作系统，通过 NFS、TCP/IP 这类标准分布式系统协议实现互联。同时它还能在虚拟机之间高效共享内存与磁盘资源。依托这套共享机制，Disco 可以维护一个全局缓冲区缓存，所有虚拟机都能透明共用这份缓存，即便虚拟机之间是通过标准分布式协议通信。
这和 System/360 时代需要为每一台独立虚拟机配备专属硬件的模式相比，无疑是巨大的转变。计算机行业从远程桌面这类技术实践，以及 SoftWindows、VirtualPC 这类模拟器产品中获得启发：我们完全可以通过软件虚拟化运行环境，实现硬件组件的复用。
论文的 HTML 版本，由互联网档案馆（Internet Archive）永久存档
Disco 实验脱胎于 Rosenblum 主导的 SimOS 项目。SimOS 是 Rosenblum 与其他研究人员基于 IRIX 搭建的前期研究项目，目标是完全依靠软件来模拟整套计算环境。
该项目最初是为了帮助斯坦福大学自研一款名为 Flash 的处理器而启动，但后续它成为实现虚拟机、以及一套用来统筹全部资源的极简操作系统层 SlimOS 的关键基础。
为什么选 Silicon Graphics？当时多核处理器还相当罕见，而 SGI Origin 2000 是市场上少数能处理这类任务的系统之一，充足的性能余量让他们可以做更极端的测试。
研究发现，将 hypervisor 与即时编译结合使用，只会带来极小的性能损耗。这是一项重大突破，也可以说是 VMware 整套商业模式的根基
而实验验证了这套模型。综合性能来看，整体开销处于可控范围。这意味着理论上可以借助 hypervisor，把一台物理机器切分成多个独立分区，每个分区各自运行不同的任务。
论文的结尾是这样写的：
当代计算机系统的发展推动了虚拟机监视器的再度兴起。尽管操作系统与应用程序的体量和复杂度持续增长，但机器级接口却一直保持相对简洁。运行在这一层的软件本身并不复杂，同时还能提供必要的兼容性，充分利用已有的大量操作系统与应用程序。我们希望进一步探索虚拟机监视器，以此应对现代计算机系统与日俱增的复杂性。
这篇论文在行业内掀起巨大反响。论文发表还不到一年，Bugnion、Devine 与 Rosenblum 三人就成了 VMware 的联合创始人。Rosenblum 的妻子 Diane Greene，一名曾任职于 SGI 的工程师，成为第四位创始人。
论文发布仅仅两年后，VMware 便迅速崭露头角：经过一整年的秘密研发，基于 Disco 改造、可运行在 Windows 和 Linux 平台上的 VMware Workstation，在 1999 年初一经推出便轰动业界。
《InfoWorld》早期一篇文章还引用过一位 IT 顾问的质疑言论。当时谁也料想不到，这款产品之后会深度重塑他们的工作。
数十年之后，几位研究者发表了一篇后续论文，复盘初代 VMware Workstation 的完整开发历程。这篇文章写于几位创始人离开公司多年之后，文中提到，x86 错综复杂的指令集，再加上五花八门的外设生态，带来了极高的额外开发复杂度。
而各个操作系统本身也带来不少麻烦，他们只能逐个去做适配。Linux 还算好办，Windows 难度很高，OS/2 几乎无从下手。
正如作者所写，IBM 当年和微软竞争的这套系统封闭性太强，根本不具备实现条件：
尽管我们开发的 VMM 并不依赖客户操作系统内部的语义与接口，但必须充分理解客户系统对硬件的配置方式。举个典型例子：我们曾考虑支持 IBM 的老旧操作系统 OS/2。OS/2 大量用到 x86 架构里的多项特性，这些特性在其他客户操作系统中从未出现。而且它使用这些特性的方式，让虚拟化实现变得格外困难。尽管我们投入大量时间做针对 OS/2 的专项优化，最后还是放弃了这项工作。
开发各类硬件驱动、处理各种边界场景，甚至还要造出一些只存在于软件中的虚拟硬件，这些工作耗费了大量时间，但回报十分丰厚。这家自筹资金的公司，短短几个月营收就达到了 500 万美元。
以当时的标准来看，这款软件很快走向大众市场。据报道，时任公司 CEO 的 Greene 提到，公司甚至收到过泰国佛教僧侣发来的邮件，僧侣们内部产生分歧：电脑上到底该装 Linux，还是 Windows。而 VMware 刚好帮他们两全其美。
“1998 年我们起草 VMware 商业计划书的时候，万万没有想到泰国的佛教僧侣会成为我们的客户群体。”在1999年《今日美国》的一篇人物报道中，Greene表示，“但能做到真正全球化，确实很有意思。”
当然，僧侣只是一个缩影。如果你了解如今的 VMware 就会知道，Workstation 仅仅是这家庞大企业很小的一块业务。虚拟机拥有成千上万种实用场景，可以用于安全隔离与系统维护。举个例子：想给数千名员工的手机部署企业内部应用，同时又要和手机上其他数据隔离开？把应用跑在虚拟机里就可以。
VMware Workstation 运行的是基于 BeOS 的 Haiku 操作系统，这算是典型的极客虚拟机使用场景
四、当硬件开始追赶软件
不到十年时间，Greene 与 Rosenblum 带领公司完成上市，然后以超过6亿美元的价格出售。又过了二十年，历经多轮并购与业务分拆，这笔业务最终的交易估值达到上市时的百倍。
而这一切发生的时候，现代虚拟机那些人性化的体验特性还尚未出现，VMware 也几乎没有像样的竞争对手。直到 2000 年代中期，英特尔与 AMD 才在芯片中加入原生硬件虚拟化支持。与此同时，微软在 2003 年收购了虚拟化领域当时唯一真正的竞争对手 Connectix。
Mac 平台上广受欢迎的虚拟机软件 Parallels 直到 2006 年才问世；而 Xen、QEMU、VirtualBox、Proxmox 这些知名开源虚拟化项目，也都是 2000 年代中期才逐渐走入大众视野。
换句话说，VMware 凭借数年的先发优势，主导了虚拟化市场。这也在很大程度上解释了，为什么这家企业能长期在企业级市场占据举足轻重的地位。
2006 年，亚马逊正式发布了 Elastic Compute Cloud（EC2）平台，它堪称现代云计算最核心的基石之一。虽然 EC2 并没有采用 VMware 的技术，但它却印证了 VMware 最终重塑整个计算行业的发展方向。EC2 最初选用的是 Xen hypervisor，而 Xen 能够释放出强大能力，离不开 CPU 层面的硬件虚拟化支持。很大程度上，正是受到 VMware 的推动，英特尔和 AMD 才在自家处理器中加入了这套虚拟化硬件特性。
下面这个观点或许会有些争议：VMware 的成功，也是 x86 架构能够延续生命力的重要因素。当年英特尔花费数十亿美元试图推出全新架构的新一代处理器安腾，想把它推成行业主流。就像电影《Mean Girls》里硬要把新词 “fetch” 炒火的桥段，到头来，只有惠普还在硬撑这套架构。
毕竟，VMware 用 hypervisor 的创新实践证明：即便 x86 在虚拟化方面先天缺陷重重，也可以通过技术手段绕开这些痛点，而且还不用破坏英特尔原有的安全模型。既然现有的 x86 架构潜力都能被挖掘到这种程度，那又何必迁移到新架构？
VMware 这项重大创新虽然诞生于一台 SGI 机器之上，但它实实在在为摩尔定律续上了生命力。
五、VMware 的黄昏与虚拟化的永生
VMware 作为亲手开辟了一整个产品赛道的企业级巨头，虽然在现代科技领域拥有举足轻重的地位，但如今早已不复往日荣光。过去这两年，它被博通收购。博通大刀阔斧，重塑商业模式，追求更高盈利，彻底抛弃了一次性永久授权的模式。
正如 CIO Dive 在 2024 年所言：
这场变革在 2024 年掀起企业 IT 界的大地震。诚然，生成式 AI 也带来不小的行业冲击，但它尚未实现大规模落地。可 VMware 的收购，以及随之而来的授权规则变动，却动摇了企业的核心基础设施，扰乱关键业务流程，还大幅推高了 IT 开支。
不久前，它旗下 ESXi 软件还爆出了一起备受关注的零日安全漏洞事件。
VMware 的创始团队早在近二十年前就已离开。2016 年戴尔收购这家公司的时候，主力产品 Workstation 的整个开发团队遭到解散。说实话，这件事也侧面说明：Workstation 并不是真正的利润来源。
如今，实现虚拟化、做资源解耦的选择已经非常多。QEMU 这类工具构建起庞大的技术生态；Docker、Podman 等软件，更是把虚拟化能力融入大量日常开发工作流。
近期，博通开始免费提供 VMware Workstation。这款软件正是 VMware 的开山之作。博通此前的政策一直摇摆不定：此前它已经取消过这款软件的免费版本。但在现代硬件上，实现操作系统虚拟化的方案已经有几十种，Workstation 以及 Mac 端对应产品 Fusion，早已不再具备开创性。
没错，VMware 开创了先河，无数厂商都在它的技术地基之上继续建设。我们今天的数字经济，正是建立在层层嵌套的虚拟机之上。博通完全可以把这款标志性工具变成一款亏本引流产品：就是它，曾经既可以让僧侣共用一台电脑，又能帮助财富五百强企业完成老旧硬件体系的现代化改造。
VMware 能被以超过 600 亿美元的价格收购，自有其道理。这恰恰印证了它最初构想的内在价值：与其部署一大堆只能跑少量业务的计算机，不如用少量机器同时运行大量虚拟实例，这样会更有利。
不过，当初整个计算机行业并没有预料到：虚拟化技术，反倒进一步推高了对计算机硬件的整体需求。
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番外：你可能不知道的五个虚拟化冷知识
得益于 Zork 内置的虚拟机，这款游戏在 iPhone 和 Kaypro II 上都可以正常游玩
1）Zork 能在命令行时代走红，虚拟化功不可没。Zork 系列的开发方 Infocom 做了一款轻量虚拟机 Z-machine，大幅降低这款热门游戏向不同设备移植的难度。当年各类计算机软硬件互不兼容，这套方案是非常关键的产品策略：团队不用针对每一台新机器重写完整游戏，只需要为不同平台单独开发对应的解释器。
2）有一款知名游戏模拟器，本质其实是虚拟机。ScummVM 可以运行 LucasArts 使用 SCUMM 引擎开发的游戏，底层思路和 Z-machine 很像，只是组件更新，并且用现代语言重构，用来解析这些老游戏。尽管名字里自带 VM，很多人依旧误以为它只是硬件模拟器。
3）早在 386 处理器时代，就已经出现硬件虚拟化雏形。虽然和我们今天使用的硬件虚拟化不是一回事，但从 386 开始，x86 芯片就内置了虚拟 8086 模式（Virtual-8086 mode）。借助这个特殊模式，386 处理器可以运行老旧的 8086 软件。Desqview、Windows 3.1 这类软件正是利用这个特性，为用户提供多任务能力。x64 架构取消了这个模式，直到 Intel 和 AMD 推出各自的硬件虚拟化扩展，同类能力才重新回归。
4）虚拟机可以直接调用物理 GPU。Linux 的 KVM 技术，脱胎于 70 年代 IBM System/360 的虚拟化思路，并且做了深度升级，支持虚拟机直接访问物理硬件，高端显卡也能直接透传给虚拟机。
5）虚拟化是老旧嵌入式系统现代化改造的核心手段。像飞机这类大型装备，不可能仅仅因为配套软件老旧就直接退役。更可行的办法是：换掉维修困难的老旧硬件，改用更现代、模块化的新硬件，再在新平台上通过虚拟化继续运行原有软件。航空航天设备以及很多难以替换的工业设备，都在用这种方案。
作者丨Ernie Smith 编译丨dbaplus社群
来源丨网址：https://tedium.co/2026/01/12/vmware-virtualization-history/
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