Imagination Rogue GPU技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

2013年全球微處理器銷售額將以史上最快的增長(zhǎng)速度突破610億美元，這主要?dú)w功于連接到互聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)和平板電腦的強(qiáng)勁需求。據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)Gartner的預(yù)測(cè)，2015年全球200~300美元中價(jià)位智能移動(dòng)設(shè)備(智能手機(jī)/平板電腦)出貨量將達(dá)5.8億臺(tái)，并且用戶主要使用的功能是影音編輯和分享。

得益于浮點(diǎn)運(yùn)算優(yōu)勢(shì)，GPU可以有效地接替來自CPU在圖形渲染過程中產(chǎn)生的幾乎所有計(jì)算負(fù)荷，并且速度十分驚人。因此，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)需要更復(fù)雜的計(jì)算時(shí)，運(yùn)算會(huì)從CPU切換到GPU工作模式，在一些測(cè)試環(huán)境下，渲染性能可以輕易地從十幾幀每秒加速到上百幀每秒。在GPU技術(shù)的支持下，芯片供應(yīng)商和設(shè)備制造商可提供諸如3D UI、實(shí)時(shí)視頻圖像處理、具有逼真圖像體驗(yàn)的游戲應(yīng)用和增強(qiáng)實(shí)境等豐富的應(yīng)用模式。

所以，今后整個(gè)行業(yè)對(duì)GPU的重視會(huì)大大超過CPU本身，因?yàn)榻窈笾髁飨M(fèi)者使用移動(dòng)設(shè)備主要的用處是多媒體娛樂，視頻和游戲的處理都更加依賴GPU的計(jì)算能力。GPU在移動(dòng)處理器中的重要程度已經(jīng)日益凸顯，高通移動(dòng)處理器的一大賣點(diǎn)就是自己的Adreno GPU。

當(dāng)然在移動(dòng)GPU市場(chǎng)的老大是Imagination，根據(jù)市場(chǎng)研究公司Jon Peddie Research的報(bào)告，Imagination以37.6%的市場(chǎng)份額，依然穩(wěn)坐2013年移動(dòng)GPU領(lǐng)先供應(yīng)商頭把交椅。但它的最大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手ARM在GPU的市場(chǎng)份額也達(dá)到了18.4%，由于Adreno GPU的市場(chǎng)份額全部來自自家的處理器，不會(huì)對(duì)外授權(quán)，所以今后的GPU市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)主要是Imagination和ARM之間的戰(zhàn)爭(zhēng)。這兩家IP巨頭除了在CPU領(lǐng)域展開競(jìng)爭(zhēng)以外，在GPU領(lǐng)域的戰(zhàn)火也燒到了下一代GPU內(nèi)核。

PowerVR 6系列GPU與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Mali-T600系列GPU的規(guī)格對(duì)比

PowerVR 6系列Rogue GPU 公布于2011 年第三季度。CES 2012 上，PowerVR Rogue GPU 首批兩款產(chǎn)品，PowerVR G6200 和 PowerVR G6400 亮相。2013 年 Imagination 又公布了 PowerVR Series 6XE 和 PowerVR Series 6XT 兩個(gè)子系列產(chǎn)品。6系列GPU都支持DirectX 10，部分型號(hào)可支持最新的DirectX 11.1，還支持OpenGL 3.x/4.x、OpenGL ES 3.0，以及通用計(jì)算領(lǐng)域的OpenCL 1.x、Renderscript Compute。根據(jù)配置的不同，PowerVR 6系列GPU的浮點(diǎn)性能在100Gflops到最高1Tflops之間，可帶來最多60倍于5系列的圖形和計(jì)算性能提升。

Intel Atom 處理器 Z3480、蘋果 iPhone 5S 的A7處理器乃至聯(lián)發(fā)科MT8135等都集成了Imagination 最新一代的PowerVR Rogue GPU。

Mali-T600 系列于2012 年露面，開發(fā)代號(hào)Midgard，是 ARM 的首個(gè)統(tǒng)一渲染架構(gòu)。Mali-T600全系列支持OpenGL ES 2.0/1.1，OpenCL 1.1，DirectX 11，其中Mali-T622、Mali-T624、Mali-T628、Mali-T678還能夠支持OpenGL ES3.0。露面最早的Mali-T604 是第一代，Mali-T624 / 628 / 678 等后續(xù)產(chǎn)品則是第二代。Mali-T624的規(guī)格參數(shù)基本與T604一致，不過核心升級(jí)到了第二代Midgard，T628最多能支持8核配置。曇花一現(xiàn)的Mali-658還是第一代Midgard架構(gòu)，現(xiàn)在已經(jīng)被二代Midgard架構(gòu)的T678取代，之前的資料顯示T658的性能是Mali-400 MP的10倍，計(jì)算性能是后者的4倍，Mali-678只會(huì)比這個(gè)指標(biāo)更強(qiáng)。

以上的對(duì)比可以看出，PowerVR 6系列支持的API更加全面，多了OpenGL的支持，雖然在移動(dòng)消費(fèi)端用處還不大，但在工業(yè)級(jí)應(yīng)用還是有很大優(yōu)勢(shì)的。

PowerVR的看家本領(lǐng)——TBDR渲染技術(shù)

首先說說Imagination最具優(yōu)勢(shì)的移動(dòng)渲染技術(shù)TBDR。由于功耗和內(nèi)存帶寬的限制，移動(dòng)平臺(tái)的GPU相對(duì)于桌面平臺(tái)，會(huì)有一些不同。目前幾乎所有的桌面GPU(nVIDIA，AMD)都是IMR(Immediate Mode Rendering，直接模式渲染)架構(gòu)，在移動(dòng)領(lǐng)域，nVIDIA的GeForce ULP和Vivante的GC系列GPU都是屬于IMR架構(gòu)。IMR架構(gòu)的GPU渲染完物體后，都會(huì)把結(jié)果寫到系統(tǒng)內(nèi)存中的幀緩存里，因此就可能出現(xiàn)GPU花了大量的時(shí)間渲染了一個(gè)被遮擋的看不見的物體，而最后這些結(jié)果在渲染完遮擋物后被覆蓋，做了無用功。這個(gè)問題稱之為Overdraw。另外，由于IMR架構(gòu)的GPU頻繁的讀寫和修改幀緩存，因此對(duì)帶寬的要求比較高，同時(shí)也增加了電力的消耗。所以，大部分的移動(dòng)GPU都采用TBR(Tile Based Rendering，分塊渲染)的架構(gòu)。

ARM的Mali GPU和高通的Adreno GPU采用TBR架構(gòu)，實(shí)際上Imagination的PowerVR也是分塊渲染的。TBR架構(gòu)在把三角形場(chǎng)景變成像素圖前，先把整個(gè)畫面分成小塊，這些小塊的渲染在GPU上的高速緩存里進(jìn)行，這樣就可以避免對(duì)幀緩存(位于系統(tǒng)內(nèi)存里)的頻繁讀寫和修改。但是，除去PowerVR外的TBR GPU同IMR一樣，還是不能避免Overdraw的問題。而PowerVR的不同之處在于，它采用的TBDR(Tile Based Deferred Rendering，分塊延時(shí)渲染)架構(gòu)，可以徹底避免Overdraw的問題。相比TBR更進(jìn)一步的是，TBDR在光柵化之后，有一個(gè)HSR(Hidden Surface Removal，隱藏曲面消除)硬件單元，通過對(duì)一個(gè)塊內(nèi)的三角形進(jìn)行測(cè)試，剔除掉被遮擋的三角形，合成一幅由所有可見部分組成的畫面，交給后續(xù)的流水線去渲染。這樣不可見部分就不需要著色器去做相應(yīng)的計(jì)算，也不需要去拾取相應(yīng)的紋理，節(jié)省了計(jì)算量的同時(shí)也節(jié)省了帶寬，對(duì)移動(dòng)設(shè)備來說有很大的幫助。

GPU的競(jìng)爭(zhēng)也是軟件生態(tài)系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)

移動(dòng)GPU的硬件架構(gòu)是影響游戲流暢度以及省電的重要因素，但在軟件支持方面，紋理壓縮格式也是影響游戲支持度高低的重要因素，由于移動(dòng)GPU并不像桌面GPU以及游戲都有統(tǒng)一的DirectX標(biāo)準(zhǔn)，造成不同移動(dòng)GPU所支持的紋理壓縮格式技術(shù)互不兼容，也造就了移動(dòng)GPU 多強(qiáng)鼎立的局面。

移動(dòng)GPU主流的紋理壓縮格式分別為ETC、PVRTC、S3TC、ATITC，在3D游戲中豐富的紋理和細(xì)節(jié)對(duì)游戲的質(zhì)量可說是相當(dāng)重要。不過，由于顯示內(nèi)存和帶寬受限的緣故，所有紋理都必須經(jīng)過壓縮，否則會(huì)帶給顯示內(nèi)存和帶寬極大的壓力，而紋理壓縮格式便是用來解決這項(xiàng)問題。在OpenGL ES 2.0版本規(guī)范里，將ETC(Ericsson Texture Compression)列為移動(dòng)GPU紋理壓縮格式的固定班底，并且要求各個(gè)移動(dòng)GPU都必須支持此種紋理壓縮格式技術(shù)。

Imagination 的PowerVR Rogue GPU 系列支持的是 PVRTC (PowerVR Texture Compression) 和 ETC，ARM的Mali-T600 系列支持的是ETC 和ASTC。ASTC由ARM 提出，2012 年被 Khronos 組織認(rèn)可，納入到OpenGL ES 3.0 標(biāo)準(zhǔn)中。不過 ASTC 并非強(qiáng)制性的標(biāo)準(zhǔn)，目前也只有 Mali-T600 系列支持。PowerVR 可以做到將紋理壓縮至最小體積(原圖十分之一不到)但仍保持清晰，比OpenGL ES 官方標(biāo)準(zhǔn)的S3TC 和ETC 要小了一半體積，這也算是PowerVR的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

ETC 是最通用的紋理壓縮格式，幾乎所有的安卓設(shè)備都可以支持 ETC 壓縮的文件。不過ETC 并不招廠商待見，因?yàn)?ETC 紋理壓縮不支持 Alpha 通道，只能用于壓縮不透明的材質(zhì)，且只能將單一紋理拆解成2個(gè)間接執(zhí)行。S3TC是桌面顯卡通用的壓縮格式，看起來是最完美的選擇，可惜 S3TC 還是一種私有的標(biāo)準(zhǔn)，有專利上的麻煩。

盡管PVRTC 是PowerVR 專有的格式，但PowerVR 已占據(jù)最大的移動(dòng)GPU市場(chǎng)份額，開發(fā)者做紋理時(shí)勢(shì)必會(huì)考慮到這一標(biāo)準(zhǔn)。加之本身這一標(biāo)準(zhǔn)具有高壓縮率的優(yōu)勢(shì)，更能推動(dòng)3D游戲技術(shù)的進(jìn)步。ASTC 則太新鮮，現(xiàn)在還鮮有開發(fā)者支持這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)上Mali GPU的占有率也還不足以幫助這一標(biāo)準(zhǔn)推廣。

總結(jié)

ARM的Mali GPU給人的感覺更像是PC中的公版顯卡一樣，積極支持各種最新標(biāo)準(zhǔn)，注重性能功耗比。但是Mali GPU的問題在于目前授權(quán)使用的大部分還是Mali-450 MP以下的，Mali-T604除了在三星的Exynos 5250中有過應(yīng)用，發(fā)布過一年多以來未見其他處理器集成。即便是三星這個(gè)老朋友，新一代的Exynos 5 Octa也改用PowerVR的GPU核心了，感覺業(yè)界的接受度還是不夠高。

PowerVR Rogue GPU 延續(xù)了 Imagination 一貫的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：TBDR渲染技術(shù)獨(dú)步天下，且對(duì)各類 API 的支持領(lǐng)先于業(yè)界。這一代顯卡的性能甚至超越了部分桌面 GPU，能耗卻比桌面 GPU 更低，適合多種嵌入式移動(dòng)設(shè)備。相比另一主要競(jìng)爭(zhēng)者ARM Mali-T600系列，PowerVR Rogue GPU 優(yōu)勢(shì)在于紋理壓縮標(biāo)準(zhǔn)已有健壯的生態(tài)系統(tǒng)支持，而Mali 的標(biāo)準(zhǔn)目前還沒能贏得開發(fā)者首肯，紙面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)無法體現(xiàn)出來。GPU的性能和軟件的優(yōu)化有極大關(guān)系，這是現(xiàn)在PowerVR系列GPU能夠領(lǐng)先市場(chǎng)的最大優(yōu)勢(shì)。

Imagination能成為移動(dòng)GPU的老大顯然會(huì)有很多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和技術(shù)。它的GPU不是理論性能最強(qiáng)的，不過單位功耗性能、單位面積性能表現(xiàn)都很強(qiáng)，多核集成、配套的開發(fā)工具、PVRTC紋理壓縮格式、TBDR渲染技術(shù)都是它沖鋒陷陣的利器，綜合起來PowerVR還是表現(xiàn)最優(yōu)秀的移動(dòng)GPU。