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

　　下表是常見的PowerVR Series 6 GPU規(guī)格表，浮點(diǎn)性能部分依舊是以1GHz頻率為參考。

　　其中的G6200目前在諸如紅米Note2/Note 3、魅族 MX5、魅藍(lán) Metal、索尼 Sony Xperia M5/M5 Dual、亞馬遜Fire HD 8/10等智能手機(jī)和平板設(shè)備中采用，尤其是前三者，目前在市場上屬于比較火的產(chǎn)品。

　　以紅米Note 2為例，標(biāo)準(zhǔn)版的G6200頻率是550MHz，增強(qiáng)版是750MHz，單精度性能分別是42 GFLOPS和57.6 GFLOPS，和iPhone 6s的150+GFLOS顯然是有明顯差距的，從GPU的角度而言，搭配G6200的設(shè)備在運(yùn)行重度三維游戲的時(shí)候會明顯比iPhone 6s慢，以GFXBench為例，各項(xiàng)測試結(jié)果差距在3倍到13倍左右。

　　例如在離屏模式下，1080p算術(shù)邏輯單元2測試結(jié)果紅米Note 2是 749.4 frames，iPhone 6s是 3824 frames，大約是5.1倍，這意味著iPhone 6s GPU的浮點(diǎn)性能是214 GFLOPS左右，推算出來的iPhone 6s GPU頻率是550MHz到600MHz左右(假設(shè) Metal API 版渲染動(dòng)作、精度都是和OpenGL ES版本是一樣的)。

　　在2016年，我們預(yù)期會看搭載到比GT7600快接近一倍的頂配PowerVR GPU手機(jī)產(chǎn)品。目前手機(jī) AP(應(yīng)用處理器)還基本能按照摩爾定律高速發(fā)展，行業(yè)的增長勢頭還算是比較樂觀，廠商有足夠多的資金用于制程的而研發(fā)改進(jìn)，例如對16nm/14nm制程進(jìn)行改進(jìn)，降低功耗，適當(dāng)增大電池容量，對微架構(gòu)進(jìn)行調(diào)優(yōu)以及內(nèi)存技術(shù)的變化，都有望增加實(shí)現(xiàn)速度提升一倍的機(jī)會。

　　上圖是ImgTec日前發(fā)布的PowerVRSeries XT 7 Plus，顧名思義，它是PowerVR Series XT 7 的加強(qiáng)版，主要加強(qiáng)的地方包括：

　　增強(qiáng)整數(shù)單元的單元數(shù)和靈活性，例如每個(gè)其中的兩個(gè)32位整數(shù)單元可以同時(shí)執(zhí)行8個(gè)8位整數(shù)操作，這對于OpenCV這類可視化計(jì)算來說是有不少好處的。

　　首次實(shí)現(xiàn)了OpenCL 2.0的支持，CPU和GPU可以在同一塊虛擬內(nèi)存上運(yùn)作，編程的時(shí)候內(nèi)存指針不需要再作嚴(yán)格區(qū)分。

　　增加了動(dòng)態(tài)并行化功能，可以在無需GPU干預(yù)的情況下創(chuàng)建新的GPU線程。

　　新增了一個(gè)2D圖片處理數(shù)據(jù)前端，主要用于不涉及幾何和塊元的處理，適合做二維以及圖片處理應(yīng)用。

　　不過按照ImgTec的說法，PVR SXT7 Plus需要到2017年才有望看到，當(dāng)然，我們不排除在下一代iPhone或者iPad上出現(xiàn)PowerVR Series 7。

　　中低端方面GPU的提升有可能會更激進(jìn)一些，假設(shè)今年的中檔手機(jī)也是搭配 MT6795的制程升級版，可以預(yù)期GPU也會得到相應(yīng)的提升，在保持同樣功耗的情況下，GPU有望升級至G6430等級(150 GFLOPS)。

　　高通Adreno系列——ATI血脈

　　相較于ImgTec而言，高通公司在GPU方面的耕耘其實(shí)是有一定差距的，在缺乏底蘊(yùn)的情況下，一家土豪型的公司最簡單、最直接的收購，而對象則是AMD的Imageon。

　　雖然說是AMD的Imageon，但是Imageon其實(shí)是AMD 2006年收購的顯卡公司ATI的項(xiàng)目，高通在2009年收購了這個(gè)項(xiàng)目并將其更名為Adreno，當(dāng)年AMD和Intel拋售非x86業(yè)務(wù)給人的感覺是非常果斷的，他們可曾料到一年后喬布斯推出的iPhone所引領(lǐng)的智能手機(jī)現(xiàn)在正在給他們帶來最痛苦的時(shí)刻。

　　既然是源自ATI的，這個(gè)Adreno自然有很深的ATI烙印。在2000年后，NVIDIA和ATI的GPU(NV3X的EarlyZ、R200的HyperZ等)都或多或少地采用分塊式立即渲染架構(gòu)，也就是TBIMR(Tile Based Immediate Mode Rendering)，Adreno 200 就是源ATI 2002年時(shí)候的Imageon Z430。

　　TBIMR和TBDR相比，每個(gè)三角形都會按照遞交的順序交給著色器處理，理論上所有三角形都必須依照遞交的次序處理，不過GPU廠商引入了Early-Z技術(shù)來嘗試將一些不可見的片元剔除掉。

　　在高通的“Qualcomm? Adreno? OpenGL ES Developer Guide”里，對Early-Z有以下的介紹：

　　在早期(2001年前)的GPU里，Z-test(Z軸深度測試)都是和阿爾法測試一樣在像素著色完成后才進(jìn)行的。

　　后來到了NVIDIA GeForce 3(NV20)和ATI RADEON 8500(R200)的時(shí)候，GPU 中開始引入名為Early-Z的操作(NVIDIA將其歸入到名為Lighspeed Memory Architecture的概念中，ATI則將其歸入到Hyper-Z里)。

　　Early-Z在GPU渲染流水線中位于三角形遍歷和像素著色器(含紋理單元)之間，它會讀取并測試片元的Z深度值，在進(jìn)入像素著色單元之前拋棄掉不可視的片元。

　　Early-Z只有在三角形按照從前往后(由近及遠(yuǎn))的遞交順序才能起作用，而且為了做到片上高速處理，一般會采取層次化Z緩存(Hierarchical Z-buffer)技術(shù)。

　　在采用Hierarchical Z-buffer的時(shí)候，GPU 會把每2×2個(gè)片元的四個(gè) Z值中最接近屏幕或者眼睛的Z值取出來，存到一個(gè)更“粗糙”的版本。

　　這個(gè)更“粗糙”版本的Z-buffer分辨率只有原 Z-Buffer的四分之一，GPU再對這個(gè)“粗糙”版本的Z-buffer再做同樣的事，一直重復(fù)直到分辨率只有一個(gè)片元。這樣一來，就形成一個(gè)pyramid(金字塔)。