GPU爆炸式發(fā)展的背后及未來挑戰(zhàn)趨勢

　　2006年，圖形處理器(GPU)總出貨量約為1.35億。同年，ARM 完成對挪威Falanx公司的收購，并獲得其移動GPU技術(shù)，完成對原有IP技術(shù)的擴(kuò)展。10年后的今天，GPU已經(jīng)廣泛用于智能手機(jī)、DTV和平板電腦等多種設(shè)備，短短10年時間ARM Mali技術(shù)也已成為全球出貨量第一的GPU，僅2015年總計(jì)出貨量就超過7.5億。

API與制程節(jié)點(diǎn)開發(fā)

　　對圖形領(lǐng)域而言，2015年振奮人心全新應(yīng)用程序接口(API)的出現(xiàn)允許開發(fā)商將基礎(chǔ)圖形硬件發(fā)揮至技術(shù)允許的最高水平。

　　同年，Khronos團(tuán)隊(duì)的工作引發(fā)有關(guān)Vulkan的熱烈討論。Vulkan是新一代OpenGL API，為新一代圖形API設(shè)計(jì)量身打造，足以滿足全部需求，并徹底終結(jié)了OpenGL ES和OpenGL作為API各自為政的時代。

　　Vulkan于2016年2月正式發(fā)布，是首款按照開發(fā)商需求設(shè)計(jì)的Khronos API。它由游戲引擎開發(fā)商、芯片提供商、IP公司和操作系統(tǒng)供應(yīng)商共同開發(fā)，以期打造兼顧各相關(guān)方需求的最佳解決方案。Vulkan API應(yīng)運(yùn)而生，采用全新異構(gòu)系統(tǒng)，不僅內(nèi)置多線程支持，而且可以最大程度發(fā)揮硬件一致性的優(yōu)勢。Vulkan屬于底層API，允許開發(fā)商自主決定硬件交互方式，并通過底層接入以找到最佳平衡點(diǎn)。

　　上述特性對虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)等新興應(yīng)用尤為重要，幫助開放商減少延遲，優(yōu)化圖形流水線。

　　對聚焦GPU運(yùn)算應(yīng)用的開發(fā)商來說，OpenCL 2的發(fā)布是一個重要節(jié)點(diǎn)，多項(xiàng)全新理念進(jìn)一步簡化了高性能GPGPU(General Purpose GPU，即通用計(jì)算圖形處理器)應(yīng)用的開發(fā)流程。虛擬存儲共享概念的提出可以說最為關(guān)鍵，允許CPU和GPU之間的虛擬地址共享。與硬件一致性結(jié)合后，細(xì)粒度緩沖器共享成為現(xiàn)實(shí)。該技術(shù)簡化了實(shí)現(xiàn)CPU和GPU工作負(fù)載共享所需的開發(fā)工作，因?yàn)閮烧唛g的數(shù)據(jù)雙向傳輸不再是必要條件。

　　半導(dǎo)體制造工藝也經(jīng)歷了巨大革新。2014年，臺積電與三星推出20納米工藝節(jié)點(diǎn)，標(biāo)志著平面工藝節(jié)點(diǎn)的10年歷史終于落幕;2015年，三星在Exynos 7420上使用全新14納米FinFet技術(shù)，臺積電緊隨其后，推出16納米FinFet工藝，并搭載于蘋果A9芯片;2016年，工藝節(jié)點(diǎn)獲得進(jìn)一步完善，成本降低，產(chǎn)量增加;步入2017年，10納米工藝節(jié)點(diǎn)也不再是夢想。

　　從GPU的角度看，工藝節(jié)點(diǎn)技術(shù)的進(jìn)步對整個行業(yè)意義非凡。首先，工藝節(jié)點(diǎn)越先進(jìn)，單位區(qū)域(或功耗)的晶體管密度就越大。GPU屬于并行處理器，只要架構(gòu)擴(kuò)展，性能就會隨之提升。然而，先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)對布線的擴(kuò)展效果不如晶體管。恰恰相反，Ergo 工藝制程從28納米優(yōu)化至14納米，SoC設(shè)計(jì)師得以實(shí)現(xiàn)更高的晶體管密度，但卻不如布線的擴(kuò)展。這意味著，如果設(shè)計(jì)10納米GPU時采用與28納米同樣的方法，設(shè)計(jì)結(jié)果必然會打折扣，因?yàn)榫w管和布線各有權(quán)衡，不盡相同。設(shè)計(jì)師常常需要妥協(xié)，使IP適應(yīng)某個節(jié)點(diǎn)，這種權(quán)衡隨著先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加變得愈加重要。

　　深入探討高端移動GPU的性能如何繼續(xù)提高之前，我們需要特別指出GPU性能從2011年到2016年提升了20倍這個有趣的事實(shí)。由于手機(jī)同時變得更加輕薄，因此該數(shù)字并不能代表技術(shù)進(jìn)步的全景，但現(xiàn)代移動設(shè)備開發(fā)商對性能提升的渴求已經(jīng)可見一斑。

　　移動設(shè)備開發(fā)商不斷完善現(xiàn)有用例，開發(fā)顛覆性的新用例，以保持創(chuàng)新節(jié)奏，并從新一輪的性能升級中獲益。

　豐富的案例開發(fā)，這些應(yīng)用你體驗(yàn)過嗎?

　　隨著移動平臺的發(fā)展，各類傳感器層出不窮。憑借飛速提升的系統(tǒng)性能、不斷改善的屏幕精度和日益增加的電池壽命，移動設(shè)備開發(fā)商已經(jīng)坐擁創(chuàng)新的最佳平臺。

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)可以充分挖掘并展現(xiàn)智能手機(jī)的強(qiáng)勁性能。AR的原理并不復(fù)雜，利用高級攝像頭捕捉圖像，經(jīng)過CPU、GPU、ISP、VPU和DPU，最后顯示在高清屏幕上。這個過程中，增強(qiáng)內(nèi)容將覆蓋實(shí)際影像。根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)的不同，物體識別、方位補(bǔ)償(使用電子羅盤和/或加速度計(jì))或高級渲染技術(shù)都將各有用武之地。

　　一些人氣移動應(yīng)用讓AR不再遠(yuǎn)在天邊，并一舉進(jìn)軍大眾市場，比如將濾鏡疊加在用戶臉部，然后生成圖片和視頻用于分享的Snapchat;以及讓用戶在真實(shí)地點(diǎn)看到動畫人物的Pokemon Go。無獨(dú)有偶，還有一些應(yīng)用采取了更高級的AR技術(shù)，比如將攝像頭捕捉與3D物體相結(jié)合。這些創(chuàng)新用例層出不窮，并可以用于包括零售和高端游戲在內(nèi)的各行各業(yè)。舉個例子，用戶可以使用移動設(shè)備查看家具是否與硬裝搭配，家具巨頭宜家就打算在2017年發(fā)布AR產(chǎn)品目錄。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)不算新理念了，但其核心技術(shù)卻仍在經(jīng)歷巨變。硬件設(shè)備已經(jīng)萬事俱備，擁有足夠強(qiáng)大的性能運(yùn)行炫目的VR內(nèi)容，一個適合創(chuàng)新的大規(guī)模開發(fā)商生態(tài)系統(tǒng)也已經(jīng)形成。這一點(diǎn)在移動平臺的體現(xiàn)格外深刻，因?yàn)槿巳硕寄苡?，且其移動性自身便是重要?yōu)勢。與臺式機(jī)和游戲機(jī)不同，移動設(shè)備無拘無束。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)需要在設(shè)備上安裝各類傳感器。實(shí)際上，VR領(lǐng)域的許多重大突破都是在移動設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的——利用VR技術(shù)增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的云霄飛車就是高性能移動應(yīng)用的一個典型案例。

　　盡管推陳出新的顛覆式應(yīng)用不斷刷新智能手機(jī)的使用方式，但我們經(jīng)常會忘記一點(diǎn)現(xiàn)實(shí)，最普遍的移動應(yīng)用情景依然是網(wǎng)頁瀏覽和游戲。近幾年，屏幕分辨率和刷新率都得到提升，用戶界面(UI)的視覺效果和使用體驗(yàn)也越來越自然。這些優(yōu)化對GPU提出了更高要求，成為成本導(dǎo)向型市場不小的挑戰(zhàn)。