在智能移動(dòng)終端產(chǎn)業(yè)一派繁榮的景象之下，CPU處理器的發(fā)展已幾近極限，而移動(dòng)端對(duì)于 GPU圖形處理器的性能需求卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有停止。根據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)Jon Peddie Research針對(duì)2013年上半年個(gè)人移動(dòng)設(shè)備(智能手機(jī)、平板電腦以及掌上游戲機(jī)等)GPU出貨量情況的統(tǒng)計(jì)，由于獲得蘋(píng)果與三星等應(yīng)用處理器的采用，Imagination Technologies公司以37.6%的市場(chǎng)占有率位居IP供應(yīng)商的第一位；高通以及IP授權(quán)商ARM、Vivante則緊隨其后。
各移動(dòng)GPU供應(yīng)商的市占率統(tǒng)計(jì) 與此同時(shí)，近一年來(lái)，移動(dòng)GPU市場(chǎng)正處于飛速發(fā)展之中，特別是從去年下半年開(kāi)始，各大廠商紛紛加大了對(duì)移動(dòng)GPU市場(chǎng)的布局力度：去年年底，ARM同時(shí)推出了兩款分別針對(duì)高端市場(chǎng)和入門(mén)級(jí)應(yīng)用的移動(dòng)GPU(Mali-T760與T720)；今年初，Imagination則推出了高端系列PowerVR Series6XT GPU和入門(mén)級(jí)Series6XE GPU；Vivante發(fā)布了基于Vega技術(shù)、可有效處理4K媒體的GPU IP內(nèi)核(GC7000)；高通大力宣傳自己的下一代移動(dòng)GPU Adreno 420，并已用于驍龍805上；NVIDIA發(fā)布的Tagra K1首次把PC級(jí)的GPU搭載到了移動(dòng)處理器上。所有跡象表明，在不同公司的企業(yè)經(jīng)營(yíng)策略之下，移動(dòng)GPU市場(chǎng)正呈現(xiàn)出日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，更多具有鮮明個(gè)性化特色的芯片方案將不斷涌現(xiàn)在市場(chǎng)之上。 克服移動(dòng)運(yùn)行環(huán)境的局限 對(duì)比應(yīng)用在PC上的GPU性能，ARM公司多媒體處理器事業(yè)部市場(chǎng)營(yíng)銷副總裁Dennis Laudick認(rèn)為，GPU在移動(dòng)設(shè)備運(yùn)作環(huán)境中與在PC中是全然不同的。例如，應(yīng)用在PC上的GPU可以通過(guò)一個(gè)AC電源獲取到大量的電力，并通過(guò)非常高功耗PCI等接口連接到大量的內(nèi)存帶寬，這樣的例子不勝枚舉。因此，在PC環(huán)境中開(kāi)發(fā)的技術(shù)并不會(huì)去考慮功率/面積/熱/帶寬等限制，而是更加直接地藉由越來(lái)越多的電力和資源來(lái)提高性能。 “但在移動(dòng)環(huán)境中的GPU則正好相反，它必須要面對(duì)各種不同的約束。在移動(dòng)的環(huán)境下，電源供電是一個(gè)巨大的問(wèn)題，從最初設(shè)計(jì)開(kāi)始，GPU(或處理器)就需要考慮功耗問(wèn)題，這需要充足的專業(yè)技能，才能從運(yùn)行環(huán)境中獲得最大化的性能。另外，移動(dòng)設(shè)備的環(huán)境也存在帶寬的限制，必須在設(shè)計(jì)出令人難以置信的輕巧電源的同時(shí)，還要能為用戶提供良好的產(chǎn)品性能和應(yīng)用體驗(yàn)。”因而從根本上講，在PC與移動(dòng)設(shè)備上的GPU是完全不同的運(yùn)作形式，PC中的GPU一般采用簡(jiǎn)單、全屏、“立即模式”的渲染方式；而移動(dòng)設(shè)備的GPU則采取分塊渲染等更節(jié)能的技術(shù)，讓龐大的任務(wù)處理更加智能化，以確保用盡每一“滴”能效。 從工作模式上，Imagination Technologies公司PowerVR多媒體業(yè)務(wù)總監(jiān)Peter McGuinness更為詳細(xì)的介紹道，PC機(jī)GPU在傳統(tǒng)上純粹以性能為導(dǎo)向，而移動(dòng)GPU則是為高效率和低功耗所設(shè)計(jì)的。桌面GPU是典型的提前Z(early-Z buffer)運(yùn)行模式，通過(guò)冷卻機(jī)制來(lái)解決功耗問(wèn)題；移動(dòng)GPU大多基于分塊渲染模式，將內(nèi)存流量和功耗保持在最低水平。一些移動(dòng)GPU主要依靠運(yùn)行提前Z模式來(lái)篩選出可見(jiàn)目標(biāo)，但這種方式可能會(huì)占用大量的面積和功耗。Imagination推出的 PowerVR則采用延遲分塊渲染的模式，僅計(jì)算并呈現(xiàn)可見(jiàn)的目標(biāo)、而省略被遮擋的不可見(jiàn)目標(biāo)元素，從而擁有獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)。 低功耗、小面積設(shè)計(jì)至關(guān)重要 談到移動(dòng)GPU最引人關(guān)注的低功耗問(wèn)題，Laudick說(shuō)道：“低功耗并非只是一種方法或應(yīng)用到產(chǎn)品以及設(shè)計(jì)的一些技巧，它必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就深植于設(shè)計(jì)人員與產(chǎn)品規(guī)劃的思考核心。這意味著，很多設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與基本架構(gòu)有關(guān)，然而，有些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則卻是通過(guò)外部接口來(lái)實(shí)現(xiàn)、又或是一些在設(shè)計(jì)上特定的先進(jìn)技術(shù)上去節(jié)省功耗。”為了克服移動(dòng)設(shè)備對(duì)GPU先天上的限制，ARM一直在尋找在小面積和有限的功耗內(nèi)提升處理能力更有效而智能的方式。其中，ASTC紋理壓縮技術(shù)就是一項(xiàng)源自ARM圖像質(zhì)量方面先進(jìn)的技術(shù)，能減少內(nèi)存帶寬和功耗，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被主要的移動(dòng)GPU芯片供貨商所采用。 另外，ARM還開(kāi)發(fā)出一系列先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步提升產(chǎn)品性能。如：智能合成技術(shù)用于減少帶寬，可同時(shí)在幀結(jié)構(gòu)中讀取紋理；智能消除技術(shù)可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的節(jié)省帶寬功能，在SoC層級(jí)達(dá)到顯著的低能耗效果，而GPU在渲染的過(guò)程中，在幀與幀之間只會(huì)就不同的部分進(jìn)行渲染；幀緩沖壓縮格式是一種無(wú)損圖像的壓縮技術(shù)，允許通過(guò)減少SoC內(nèi)部IP模塊之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，大幅減少帶寬的消耗；像素本地存儲(chǔ)技術(shù)是最近在SIGGRAPH世界圖形圖像學(xué)術(shù)大會(huì)上所展示的另一種技術(shù)，能藉由減少對(duì)先進(jìn)圖形算法的帶寬需求，達(dá)到低功耗的效果。 得益于專為真實(shí)世界應(yīng)用案例所設(shè)計(jì)的低功耗特性集，Imagination新推出的PowerVR Series6XT和Series6XE系列均基于PowerVR Rogue圖形架構(gòu)所帶來(lái)的大量獨(dú)特特性，以改進(jìn)整體系統(tǒng)性能，降低功耗，并減少內(nèi)存帶寬。McGuinness分析道：“首先，PowerVR Rogue GPU采用標(biāo)量處理，實(shí)現(xiàn)ALU的最高利用率并簡(jiǎn)化圖形編程，這一架構(gòu)效率對(duì)于優(yōu)化圖像處理算法十分必要，很多算法拒絕將色彩信息作為第一步，并只處理強(qiáng)度信息，而這在標(biāo)量架構(gòu)中完全不是問(wèn)題。其次，我們?cè)黾恿诵碌腜VR3C三倍壓縮技術(shù)，結(jié)合了有損紋理壓縮、無(wú)損圖像壓縮和無(wú)損幾何壓縮技術(shù)，降低內(nèi)存帶寬，且反過(guò)來(lái)更加顯著地影響了系統(tǒng)范圍的功耗。第三，系統(tǒng)增加的PowerGearing功能可動(dòng)態(tài)管理不同的功耗水平，并平衡整體SoC功耗，所有的Rogue GPU結(jié)合使用FP32和FP16 ALU，實(shí)現(xiàn)了高精度和低功耗運(yùn)算，與上一代GPU相比，PowerVR Series6XT和6XE GPU擁有高達(dá)50%的更多低能耗GFLOPS(每秒執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù))。”
Imagination公司移動(dòng)GPU發(fā)展路線圖 除此之外，對(duì)于瞄準(zhǔn)入門(mén)級(jí)平臺(tái)的芯片供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)更大面積的SoC系統(tǒng)級(jí)芯片意味著成本的提高，因此，處理器芯片的面積也變得越來(lái)越重要。為了解決這一問(wèn)題，Imagination可以為合作伙伴提供優(yōu)化設(shè)計(jì)工具(DOKs)，為各種特定應(yīng)用實(shí)現(xiàn)性能、功耗和面積之間的理想平衡。例如，Imagination與美國(guó)新思科技公司共同開(kāi)發(fā)的第一款優(yōu)化設(shè)計(jì)工具可為PowerVR Series6 GPU芯片節(jié)省高達(dá)30%的面積，并且同時(shí)還能顯著降低動(dòng)態(tài)功耗。 GPU與CPU協(xié)作成主流趨勢(shì) 在對(duì)近期移動(dòng)終端市場(chǎng)的觀察中，Laudick指出，一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，市場(chǎng)上設(shè)備所具備的多媒體功能越來(lái)越受到人們的關(guān)注。例如：攝像功能不但是大部分移動(dòng)終端產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置之一，而且設(shè)備處理圖像、視頻等多媒體的性能也正在成為影響消費(fèi)者購(gòu)買產(chǎn)品的一個(gè)重要因素。在這些多媒體應(yīng)用中涉及到大量像素處理任務(wù)，這一方面可以在CPU上完成，而另一方面，圖像處理和視覺(jué)計(jì)算的任務(wù)類型具有并行特性，也意味著它們非常適合通過(guò)GPU來(lái)運(yùn)行，有助于加快任務(wù)處理速度，同時(shí)顯著降低功耗。 “我們需要用不同的角度來(lái)看GPU，它不再只是針對(duì)圖形處理方面，而是作為整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。特別是在現(xiàn)有CPU所面臨到的節(jié)能挑戰(zhàn)中，尋找GPU可以用來(lái)作為一部分解決方案的可能性，將是未來(lái)的一個(gè)主要方向。”Laudick說(shuō)。為此，實(shí)現(xiàn)在GPU和CPU的指令執(zhí)行間共享數(shù)據(jù)的能力，是一種較為理想的解決途徑。這種方案通過(guò)緩存一致性以及虛擬內(nèi)存共享，得以實(shí)現(xiàn)CPU與GPU之間的指針交換，由此消除復(fù)制或緩存維護(hù)操作，這樣，GPU可以更多地被用于加速更小型任務(wù)的計(jì)算能力，使其適合更廣范圍的算法。 作為異質(zhì)運(yùn)算架構(gòu)基金會(huì)(HAS Foundation)的創(chuàng)始成員，ARM正參與制定此類特性設(shè)計(jì)所須遵循的標(biāo)準(zhǔn)，并引入到其GPU和CPU的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。除了Mali-T600系列(業(yè)界首款可提供OpenGL ES 3.0功能的移動(dòng)GPU)之外，ARM推出的Mali-T760 GPU可擴(kuò)展性達(dá)到16個(gè)內(nèi)核，是專門(mén)為解決高性能、高端移動(dòng)計(jì)算的市場(chǎng)需求而設(shè)計(jì)，這類市場(chǎng)的特點(diǎn)是更大的屏幕尺寸、需要處理更復(fù)雜的內(nèi)容、更高的能源效率、在每毫瓦的消耗中追求性能最大化。而一款Mali-T720 GPU則主要為了滿足SoC制造商針對(duì)入門(mén)級(jí)移動(dòng)計(jì)算設(shè)備市場(chǎng)的需求。 移動(dòng)設(shè)備的性能越來(lái)越取決于不同的系統(tǒng)，尤其是CPU和GPU的相關(guān)能力，這使得最佳的工作負(fù)荷分配顯得十分重要。通常最好的處理辦法是將工作量分成最大可能的幾個(gè)部分，以減少系統(tǒng)開(kāi)銷。McGuinness同樣表示道：“移動(dòng)設(shè)備如今正在被內(nèi)在異構(gòu)的應(yīng)用程序所主導(dǎo)，這些應(yīng)用程序包含功能層，這些功能層可以在CPU陣列和GPU之間被劃分GPU被歸類為一個(gè)單核，但是事實(shí)上它本身包含一個(gè)大型陣列，并因此實(shí)現(xiàn)更好的效率。通過(guò)在所有可用資源中更高效地分配任務(wù)，轉(zhuǎn)化成一個(gè)更高的幀率或更低的功耗或更快的響應(yīng)能力，或者三者兼得。”例如，一個(gè)VP9視頻解碼器的軟件運(yùn)行方式可以被分解，這樣代碼的特定部分可以運(yùn)行在一個(gè)四核的CPU上，同時(shí)算法的計(jì)算密集部分可以由一個(gè)PowerVR Rogue GPU 處理。這一異構(gòu)解決方案雖然沒(méi)有明顯降低功耗，但顯著維持了高度優(yōu)化的CPU代碼的幀率，這樣處理的好處在于：當(dāng)解碼器是在基于瀏覽器的應(yīng)用程序內(nèi)被運(yùn)行時(shí)，用戶將享受更大的可用性、更高的分辨率、更短間隔的CPU周期，且用戶界面的響應(yīng)能力也會(huì)獲得明顯的改善。 |
