GPU如何工作：PowerVR/高通Adreno/ARM Mali的渲染模式分析

　　在上一篇文章《【技術(shù)解析】GPU如何實現(xiàn)三維渲染及非圖形計算?》我們已經(jīng)了解了GPU工作流程以及作用，但GPU絕無這么簡單。目前市場上的 GPU 主要由三家公司主導，分別是ImgTec的PowerVR系列、Qualcomm(高通)的 Adreno 以及 ARM(安謀)的 Mali，其中PowerVR被蘋果采用，Adreno被高通整合到驍龍SoC當中，Mali應用最為廣泛，有三星Exynos、MTK Helio、Mstar等等，按渲染模式可以劃分為IMR與TBR/TBDR兩大流派，下面我們先從PowerVR說起。

　　PowerVR —— 延后式分塊渲染架構(gòu)

　　ImgTec(或者說 Imagination Technologies)的前身是 1985 年在英國成立的VideoLogic公司，在上世紀90年風靡一時的世嘉DreamCast游戲機就是采用該公司技術(shù)授權(quán)生產(chǎn)的圖形處理器。

　　ImgTec目前旗下有多個分部，PowerVR是其中專門從事GPU、視頻處理單元、攝像機知識產(chǎn)權(quán)內(nèi)核技術(shù)開發(fā)的分公司。

　　PowerVR雖然從事GPU開發(fā)，但是它并不直接售賣芯片實體，而是透過授權(quán)的方式，將芯片內(nèi)核技術(shù)以收取權(quán)利金的方式讓第三方芯片廠商生產(chǎn)、銷售、使用，例如蘋果公司、英特爾公司、聯(lián)發(fā)科、索尼等，商業(yè)模式和同樣是英國公司的ARM一樣。

　　技術(shù)內(nèi)核授權(quán)方式給了芯片廠商和系統(tǒng)集成廠商非常高的靈活性和快速切入市場的能力，他們可以在較短的時間里就實現(xiàn)各種配置的靈活組合。如果你看過我前面介紹的圖形流水線就知道，要做好一枚具競爭力的GPU難度是相當大的，中間涉及大量的技術(shù)積累。

　　像NVIDIA、AMD這樣的廠商都不是突然冒出來的，他們都經(jīng)歷過非常慘烈的市場競爭、有業(yè)界最強大的研發(fā)團隊以及與周邊軟件開發(fā)商經(jīng)年累月的開發(fā)合作關(guān)系，現(xiàn)在一個新丁公司仿效NVIDIA模式貿(mào)然闖進GPU開發(fā)領(lǐng)域的話，如果不是手握十億美元級規(guī)模的資金來換取技術(shù)和各種市場資源的話，恐怕連響都聽不到。

　　在上世紀90年代末和本世紀前兩年，PowerVR也在桌面市場和NVIDIA、3dfx進行過捉對廝殺，不過由于商業(yè)模式并不十分適合桌面市場，所以在僅有母公司VideoLogic(1999年更名為Imagination Technologies)推出的Kyro II后就不再踏足桌面獨立顯卡市場，轉(zhuǎn)而全力發(fā)展嵌入式領(lǐng)域，從此一發(fā)不可收拾。

　　PowerVR在桌面獨立顯卡市場的最后一款產(chǎn)品是PowerVR3系列，原定用于Kyro III/IV的后續(xù)產(chǎn)品PowerVR4由于退出桌面市場，對公眾而言只停留在幻燈片(上圖的STG5000就是原本計劃用在Kyro III的PowerVR4)中。

　　當然，PowerVR并沒有完全退出桌面市場，他們和Intel達成了技術(shù)授權(quán)協(xié)議，英特爾可以在其集成GPU中采PowerVR MBX架構(gòu)，英特爾在很長的一段時期內(nèi)的集成GPU都采用了這個微架構(gòu)內(nèi)核。

　　PowerVR MBX據(jù)聞是世嘉DreamCast那枚PowerVR PCX 2的升級版，從技術(shù)資料來看的話，其實PowerVR MBX有些類似于PowerVR4，官方的PowerVR MBX白皮書里也明確寫著：

　　4th generation tile-based deferred rendering(第四代塊元式延后渲染)

　　從規(guī)格表來看，PowerVR MBX支持OpenGL ES 1.1，相當于OpenGL版本1.5或者DirectX 8.x的變種版。

　　所以，PoweVR MBX應該是和PowerVR Series 4一脈相承的，PowerVR MBX屬于后者的移動版本。

　　什么是TBDR呢?

　　在前面介紹的圖形渲染流水線，GPU在渲染的時候，一般是逐個三角形渲染的，如果以深度順序來劃分，可以分為從遠到近(畫家畫法)、從近往遠，開發(fā)人員可以在編寫代碼的時候指定渲染順序。

　　如果依照在圖形流水線什么階段進行三角形排序，又可以分為sort-first、sort-middle、sort-last，middle是中間的意思，指的是從模型空間到屏幕空間這部分工位，sort-middle就是指在這段進行三角形前后順序排序。sort-last是指在這之后進行三角形排序，sort-first是指在這之前進行三角形排序。

　　Sort-First一般用于多GPU渲染方案，基于片元方式的Sort-Last在目前絕大多數(shù)的GPU微架構(gòu)中使用，而Sort-Middle則是PowerVR的三角形排序方案，需要在幾何變換和光柵化之間進行圖元的排列/分倉處理，在解決了可視性問題后再進行貼圖和著色處理。

　　這個步驟會造成一定的延遲，加上采用了塊元式渲染，所以像PowerVR這種渲染架構(gòu)被稱作塊元式延后渲染器(Tile Based Deferred Rendering，TBDR)。

　　而一般的GPU被認為是看到一個三角形就馬上渲染，所以被稱為立即渲染器(Immediate Mode Rendering)，立即渲染器也可以分為塊元式(例如ARM Mali)和非塊元式(例如AMD、NVIDIA “目前”的GPU)。

　　(IMR)

　　什么是TBDR?

　　PowerVR 微架構(gòu)誕生于上世紀90年代初期，針對的是初代的三維游戲機，當時的人們希望這枚芯片的效率要盡可能地高，由于受到半導體技術(shù)的限制，所以在這時期有各種現(xiàn)在看來稀奇古怪的偏重于某個技術(shù)指標的芯片。

　　要效率高，其中一個辦法就是只渲染屏幕上能看到的三角形所覆蓋的片元，人們引入了名為HSR(Hidden Surface Removal，隱面消除，這里的隱面是指被其他實體多邊形遮蓋的多邊形)來消除無效片元來實現(xiàn)這個目標。

　　(TBDR)

　　在TBDR的渲染流水線里，幾何階段生成(已經(jīng)經(jīng)過裁剪)的多邊形或者說三角形參數(shù)信息都存放在一個名為Scene Buffer(場景緩存)或者Parameter Buffer(參數(shù)緩存，這是相對新近的叫法)的內(nèi)存里，理論上里面保存的應該是同一幀畫面里的所有三角形信息，其位置在顯存里(對于采用統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)的手機而言，則是和系統(tǒng)內(nèi)存一樣位于同一塊物理內(nèi)存上)。

　　這一步是TBDR獨有的，相較之下，傳統(tǒng)的GPU在幾何階段扔出到三角形后紋理單元/著色單元就馬上渲染，因此人們將傳統(tǒng)的GPU渲染方式稱作立即渲染器。

　　這里請不要把TBDR 和延后式渲染混淆，后者是指把多個片元渲染后在進行后期處理(例如打光、模糊等效果)，同樣是“延后”一詞，但是對應的渲染節(jié)點完全不一樣。

　　在生成Scene Buffer的同時，PowerVR GPU內(nèi)部的塊元加速器會對這些三角形進行分倉(Binning)或者說篩選(sorting)處理，這個動作會依照16像素*16像素(取決于具體的GPU實現(xiàn)，像PowerVR PCX2可以是32*32或者32*16，PowerVR SGX 5上是16*16，“新的”PowerVR Series 6/7是32*32，這樣的分塊被稱作塊元，即Tile)的大小，將Scene Buffer中位于塊元內(nèi)的所有三角形的指針存放到一個對應的塊元緩存(Tile Buffer)中。

　　對于一個大小為1920x1080的全高清屏幕，用16*16的塊元大小進行切分，可以切成大約8100個塊元，每個塊元在“顯存”中都有一個對應的塊元緩存，里面存放的就是上面所說的位于塊元內(nèi)的三角形數(shù)據(jù)指針(指向Scene Buffer對應的三角形數(shù)據(jù))。

　　所謂指針，是編程語言中的一個對象或變量，用來存儲某一個地址，這個地址的值直接指向(points to)存在電腦存儲器中另一塊存儲器空間的值。

　　從編程的角度而言，在這些塊元緩存存放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以稱作圖元列表(primtive list)。

　　按照PowerVR或者說ImgTec的說法，他們在新的微架構(gòu)中引入了幾何體壓縮技術(shù)，存放在Scene Buffer的幾何體數(shù)據(jù)是壓縮過的，在GPU頂點內(nèi)存單元讀取時候再解壓，這樣的好處是可以顯著節(jié)省存放Scene Buffer的內(nèi)存空間和帶寬，而這通常意味著：省電。