應(yīng)對下一代移動圖形處理的挑戰(zhàn)

GPU市場增長與Mali? 技術(shù)的成功

2006年，圖形處理器（GPU）總出貨量約為1.35億，廣泛用于智能手機(jī)、DTV和平板電腦等多種設(shè)備。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，僅智能手機(jī)的全球出貨量就已達(dá)到15億臺（據(jù)ARM內(nèi)部數(shù)據(jù)和Gartner數(shù)據(jù)顯示）；短短10年時間，ARM Mali技術(shù)也已成為全球出貨量第一的GPU，2015年總計出貨量超過7.5億。

本文將重點討論GPU市場、技術(shù)、應(yīng)用案例，以及GPU爆炸式發(fā)展背后的深層原因。同時，文章還將簡述ARM Mali GPU及其架構(gòu)在過去10年的演進(jìn)，并介紹搭載全新Bifrost架構(gòu)的Mali-G71。

API與制程節(jié)點開發(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)計量身打造。Vulkan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。

上述特性對虛擬現(xiàn)實（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，多項全新理念進(jìn)一步簡化了高性能GPGPU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。該技術(shù)簡化了實現(xiàn)CPU和GPU工作負(fù)載共享所需的開發(fā)工作，因為兩者間的數(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，標(biāo)志著平面工藝節(jié)點的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)點也不再是夢想。

從GPU的角度看，工藝節(jié)點技術(shù)的進(jìn)步對整個行業(yè)意義非凡。首先，工藝節(jié)點越先進(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)計師得以實現(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10納米GPU時采用與28納米同樣的方法，設(shè)計結(jié)果必然會打折扣，因為晶體管和布線各有權(quán)衡，不盡相同。設(shè)計師常常需要妥協(xié)，使IP適應(yīng)某個節(jié)點，這種權(quán)衡隨著先進(jìn)工藝節(jié)點數(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。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。