Imagination PowerVR架構(gòu)30年：從世嘉游戲機，到芯動桌面顯卡

來源：電子工程專輯

今年是Imagination的PowerVR架構(gòu)誕生30周年——電子工程專輯最近特別采訪了Imagination，以期了解這段頗具傳奇色彩的架構(gòu)歷史。Imagination告訴我們1992年P(guān)owerVR剛剛誕生之時，公司還叫作VideoLogic——這家公司創(chuàng)立至今已經(jīng)有37年的歷史了。

借著PowerVR 30周年之際，我們來聊聊PowerVR這些年的發(fā)展——多少也能從中窺見GPU的歷史之路。尤其Imagination格外拿手的TBDR（分塊延遲渲染），到現(xiàn)在應(yīng)用于移動平臺的Photon光追架構(gòu)，也算是GPU發(fā)展史的一支了。本系列文章會分成上下兩篇，上篇簡單回顧PowerVR這30年走過的歷史，下篇則將從技術(shù)角度來剖析Imagination引以為傲的TBDR架構(gòu)。

Imagination在采訪中說：“第一代設(shè)備（從1992-1993年的原型到1995年左右推出的PCX1和PCX2）使用較低級別的基元（primitive），也就是無限平面（infinite plane）來進(jìn)行物體建模?！薄氨M管無限平面基元的效率可能不錯，但問題在于業(yè)界只使用三角形（或四邊形）?！彼浴暗诙O(shè)備ARC1、CLX2（用于世嘉Dreamcast）和‘Neon 250’開始使用三角形渲染。”...“后來的幾代產(chǎn)品增加了著色器（shader）并且可以在移動設(shè)備上進(jìn)行硬件圖形處理。但所有這幾代產(chǎn)品的共同點是底層TBDR技術(shù)?！?/span>

Trident FPGA板

最初的FPGA原型板，被Imagination稱作是首個基于TBDR的板。這塊板曾亮相于SIGGRAPH 93。不過Simon說，最初帶著這塊板四處去宣傳的過程并不算順利，花了好大的功夫才有機會向潛在客戶做演示。起初一行人將產(chǎn)品定位于當(dāng)時很火的街機系統(tǒng)。當(dāng)時VideoLogic選擇了與NEC合作，最初就有了技術(shù)授權(quán)方面的動作。PowerVR Series 1的目標(biāo)市場就是街機系統(tǒng)。在原型產(chǎn)品Midas 1和2之后，真正出現(xiàn)在市場上的是Midas 3。從介紹來看，Midas 3至少包含了ISP（Image Synthesis Processor）和TSP（Texture and Shading Processor）以及一顆橋接芯片。ISP可以彈性擴展，街機可以用2-4個ISP。這里可以看出當(dāng)年的圖形加速卡和現(xiàn)在的GPU還是有很大差別的。Midas 3也應(yīng)用到了PC設(shè)備上，出現(xiàn)在了彼時康柏（Compaq）的機器里。PowerVRPCX1Imagination所說的PCX1實際上也就是Midas 4：基本是將3顆Midas 3芯片放到1顆芯片中（如圖），基于0.5μm工藝，PCI接口、64bit 4MB顯存、核心頻率60MHz。據(jù)說當(dāng)年康柏希望只用1MB或2MB的RAM，VideoLogic則努力說服康柏4MB才是PCX1的最佳搭配。后續(xù)的PCX2工藝提升到了0.35μm；其中新增了雙線性過濾（bilinear filtering），簡化了驅(qū)動工作，同時核心頻率進(jìn)一步增加。據(jù)說當(dāng)時采用PCX2芯片的Apocalypse 3DX顯卡在性能上超越了彼時的Voodoo。當(dāng)時有報道說PowerVR Series 1的市場份額曾達(dá)到僅次于3dfx Voodoo的程度。

初期真正令PowerVR名聲大噪的恐怕是PowerVR Series 2進(jìn)入到了世嘉的Dreamcast游戲機中（這段歷史還有3dfx、英偉達(dá)參與的愛恨情仇，有興趣的同學(xué)一定要去查一查）——也就是土星機的后繼者，發(fā)布于1998年底；同期PowerVR Series 2也進(jìn)入到了世嘉Naomi街機中。

這代產(chǎn)品也是和NEC合作的。憑借著這代產(chǎn)品，到1999年NEC光是出貨給世嘉的PowerVR Series 2芯片就超過了100萬。從可循的資料來看，DC游戲機的出貨量超過了1000萬臺。

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改名Imagination，與移動設(shè)備圖形計算現(xiàn)代化

對前期的VideoLogic而言，1999 年P(guān)owerVR還迎來了ST（意法半導(dǎo)體）這個大客戶，當(dāng)時ST面向PC的圖形與視頻加速卡就是采用Imagination的PowerVR Series 3，代號叫Kryo。這代產(chǎn)品支持DX6、EMBM（environment bump map），只不過并不支持當(dāng)時崛起的硬件T&L（tranform, clipping, and lighting）。值得一提的是，得益于TBDR架構(gòu)，Kyro的核心面積很小、發(fā)熱也低，所用晶體管數(shù)量遠(yuǎn)低于同期競品。另外這一年的一個大事件是，公司正式改名為Imagination Technologies：也不光是改名，在策略上同時轉(zhuǎn)向了專注在IP授權(quán)方向。根據(jù)Imagination的說法，是要在街機、家用游戲主機、PC等市場之外，持續(xù)做擴展，所以選擇了將注意力集中到IP授權(quán)。當(dāng)年的Hercules3DProphet4000XT顯卡，基于Kyro芯片Imagination和ST同類型產(chǎn)品合作還是延續(xù)了好些年的。2001年的Kyro II有段時間在歐洲市場被稱作MX400殺手。但PowerVR也是直到計劃中的Kyro III，也就是基于PowerVR Series 4的顯卡，才正式加入了硬件T&L支持；只不過這一時期ST已經(jīng)決定關(guān)閉圖形業(yè)務(wù)了，Kyro III也就未能正式問世。同期的桌面顯卡混戰(zhàn)局面宣告結(jié)束。不過也是這一時期- 2001年之后，Imagination在移動、汽車和醫(yī)療市場開始有所斬獲。PowerVR在移動圖形市場大獲成功的是PowerVR MBX；MBX以及之后的SGX（Series 5），更是讓Imagination在移動市場全面開花。當(dāng)時這倆架構(gòu)授權(quán)給了包括Intel、德州儀器、三星、NEC、NXP、Freescale、瑞薩、Sunplus在內(nèi)的多個市場巨擘。回顧最初進(jìn)入移動市場，Imagination（90年代后期）認(rèn)為當(dāng)時移動設(shè)備的圖形處理能力都非常弱，PowerVR一定能夠憑借低功耗設(shè)計，在移動視覺應(yīng)用上掀起新的浪潮。PowerVR MBX除了TBDR架構(gòu)之外，也開始采用現(xiàn)在很多人應(yīng)該都知道的PVRTC紋理壓縮技術(shù)——現(xiàn)在類似的技術(shù)似乎稀松平常了，在當(dāng)時卻相當(dāng)具有開創(chuàng)性。實際在圖形管線的數(shù)據(jù)壓縮上，在之前的解析文章里也提到過Imagination目前的技術(shù)方案。作為節(jié)約帶寬、提升效率的重要技術(shù)組成，Imagination此前還將渲染過程中幾乎所有數(shù)據(jù)，都做了壓縮。這其中除了PVRTC紋理壓縮（還有ASTC等）以外，還包括圖像壓縮IMGIC（接替了此前的PVRIC），和幾何壓縮PVRGC。當(dāng)然這就是后話了，尤其IMGIC是近代架構(gòu)更新中才引入的。2005年P(guān)owerVR SGX架構(gòu)問世，首個SGX核心面向的就是主流、高性能移動圖形計算，特性方面能夠全面滿足OpenGL ES 2.0 shader需求；這代產(chǎn)品也隨之引入了PowerVR視頻編解碼IP。于是這一時期前后，Imagination GPU相繼出現(xiàn)在了蘋果iPhone、諾基亞N96、索愛P1、摩托羅拉刀鋒等明星手機產(chǎn)品中。另外對Imagination而言，頗具標(biāo)志性意義的一件事情也在于到2012年，SGX架構(gòu)(Series 5XT）進(jìn)駐索尼游戲掌機PS Vita——算是睽違多年的市場，Imagination對此還是頗為津津樂道的。另外2007年iPhone開始采用PowerVR架構(gòu)GPU，不僅是對Imagination，對整個移動圖形技術(shù)市場而言都具備相當(dāng)價值——開發(fā)者生態(tài)自此開始大舉建立，手機上的3D游戲逐步崛起。與此同時，2014年SGX架構(gòu)中的Series 5XE開始下探更低功耗的產(chǎn)品，包括可穿戴、IoT和嵌入式應(yīng)用，甚至還有類似打印機這樣的企業(yè)級設(shè)備。

要說移動設(shè)備GPU的技術(shù)真正走入大眾視野，而不僅限在被一小撮工程師人群所知，應(yīng)該是2014年Imagination主動找到了媒體，透露了有關(guān)其PowerVR Rogue架構(gòu)的部分技術(shù)細(xì)節(jié)，雖然大部分內(nèi)容并未闡述詳細(xì)，卻也是普羅大眾真正首次了解到原來移動GPU架構(gòu)是長這樣的。當(dāng)時Imagination愿意對外公開這些資料，也是因為那一時期移動GPU陷入到“核心數(shù)”競爭的怪圈，而Imagination的GPU架構(gòu)決定了PowerVR在核心數(shù)方面并不占優(yōu)，因此需要向市場科普GPU“核心”究竟是什么的問題。不過不可否認(rèn)的是，也是從Imagination的這一市場動作開始，其他移動GPU競爭對手也紛紛以更開放的姿態(tài)公布屬于自己的架構(gòu)技術(shù)與特性。也是從PowerVR Rogue，也就是Series 6（也包含后續(xù)的Series 7，和部分Series 8/9）開始，業(yè)界開始留意到PowerVR相較同期的其他移動領(lǐng)域競爭對手領(lǐng)先幾個身位的性能和能效表現(xiàn)。這一時期正值iPhone 6熱賣，加上iPad Air 2的圖形性能，PowerVR Rogue還是驚艷了不少人的。似乎也是從這代產(chǎn)品開始，架構(gòu)集齊了PVR3C三重壓縮的系統(tǒng)級優(yōu)化。后續(xù)PowerVR Furian架構(gòu)發(fā)布，這代架構(gòu)繼續(xù)提升了性能和性能密度。值得一提的是，PowerVR GPU同期開始把觸角伸展到了圖形渲染之外——這也是當(dāng)代GPU廠商普遍會走的路。PowerVR同期借助對于OpenCL、Renderscript、Filterscript等的支持，在CV和AI領(lǐng)域發(fā)揮作用。從Imagination提供的數(shù)據(jù)來看，2001年采用其PowerVR的產(chǎn)品出貨量超過1500萬；而到了2008年，其消費產(chǎn)品出貨量就突破了1億；2010年這個數(shù)字就再度發(fā)展至大約2.5億，2013年跨過10億大關(guān)。2017年Imagination回顧PowerVR架構(gòu)25周年還提到，PowerVR產(chǎn)品出貨量突破40億，其市場覆蓋了電視、流媒體設(shè)備、手機、平板、手表、VR、汽車、游戲、Chromebook等。

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進(jìn)入另一個紀(jì)元的PowerVR

從Imagination的角度出發(fā)，自公司80年代成立至Furian架構(gòu)發(fā)布，公司層面的各種操作也非常多樣，光是技術(shù)相關(guān)的收購操作就一大堆，包括Ensigma、Cross Products Limited、HelloSoft、Caustic Graphics等等。另外在股權(quán)結(jié)構(gòu)上，東家們也算得上你來我往，比如NEC上世紀(jì)曾一度持有Imagination 3.5%的股份；Intel則在2006年前后拿到Imagination約2.9%的股份，2009年Intel最高持有Imagination的股份一度高達(dá)16.02%；2008年，蘋果買下Imagination約3.6%的股份......這些企業(yè)多少也都與PowerVR架構(gòu)的發(fā)展有一些關(guān)系，只是并非本文要探討的重點。2017年9月，私募基金凱橋資本（Canyon Bridge）宣布收購Imagination。兩個月后交易就獲得通過，Imagination也從倫敦證券交易所摘牌。Imagination在博文中說，自此以后Imagination的歷史翻開了新的篇章。從技術(shù)角度來說，PowerVR的確也是在此以后續(xù)寫了全新的架構(gòu)。2019年IMG A-Series架構(gòu)發(fā)布，當(dāng)時我們還對新架構(gòu)做了剖析。自IMG A-Series之后的架構(gòu)驚人之處在于性能的大幅躍進(jìn)，Imagination說A-Series相比此前的PowerVR Series 9，性能密度至多增長了250%。這代新架構(gòu)重新設(shè)計了ALU，還有HyperLane虛擬化技術(shù)以及AI Synergy。當(dāng)然不變的傳統(tǒng)仍然在于TBDR。似乎隨A-Series的發(fā)布和性能密度的暴漲，這些也給Imagination帶來此間20年的首個桌面級GPU授權(quán)客戶。而且2020年年初，蘋果和Imagination又再度簽署了多年的授權(quán)協(xié)議。這也算是Imagination就企業(yè)層面面臨一波動蕩后的回歸。其實在A-Series架構(gòu)發(fā)布會上，Imagination就預(yù)告了B-Series、C-Series的存在和性能提升預(yù)期——當(dāng)時看起來還是挺不可思議的。不過很快Imagination還真是發(fā)布了IMG B-Series。其中的BXT基于多核彈性化設(shè)計，性能提升最高達(dá)到了A-Series的4倍。

這一時期的重要事件是，Imagination收獲了芯動科技（Innosilicon）這個于國內(nèi)眾所周知的客戶，IP應(yīng)用到了芯動的Fantasy風(fēng)華顯卡產(chǎn)品線。目前桌面級的芯動Fantasy 1風(fēng)華1號和Fantasy2 風(fēng)華2號顯卡均已供貨。Imagination提到該產(chǎn)品系列中的Type-A顯卡會采用16GB GDDR6x顯存、128bit位寬，基于BXT-32-1024提供5 TFLOPS算力；而Type-B則會采用雙芯方案，達(dá)成最多2倍的性能。值得一提的是，B-Series也擴展出了BXS家族。這是面向汽車的IP產(chǎn)品，其中有一些專門的特性，比如說Tile Region Protection；據(jù)說這也是首個滿足ISO 26262安全標(biāo)準(zhǔn)的GPU IP。

PowerVR近代史上十分重要的一件事還在于2021年底發(fā)布的IMG C-Series架構(gòu)。PowerVR Photon光線追蹤架構(gòu)部分應(yīng)用到了C-Series GPU IP上。就IP層面，在移動平臺做硬件級光追加速的，Imagination走得還是相當(dāng)超前。就光線追蹤的技術(shù)儲備，似乎可以追蹤到2010年Imagination收購Caustic Graphics，這就是個做軟硬件實時光追圖形技術(shù)的企業(yè)。Imagination說自家的原型光追硬件，最初是在2016年的CES展會上對外做演示的，按照Imagination宣傳的RTLS（光追等級系統(tǒng)）分級標(biāo)準(zhǔn)，處于Level 5（Coherent BVH processing with BVH hardware builder）?；赑hoton的CXT架構(gòu)的目標(biāo)等級是Level 4（BVH processing with coherency sort in hardware），并完整支持業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的Vulkan RT光線查詢和光線管線擴展。可見在規(guī)劃上，Imagination的硬件光追實現(xiàn)具有相對比較長的歷史, 在性能上Imagination 猶有余力, 據(jù)介紹其產(chǎn)品可以達(dá)到更高RT等級。我們知道，光線追蹤對硬件算力和功耗需求很高，于移動平臺的暴力實現(xiàn)也并不合理。所以PowerVR在設(shè)計上特別加入了“coherency sorting”相干性排序：這一特性會對具有相干性的光線做排序，比如某些材質(zhì)反射同方向光線做分組，可以達(dá)成更高的數(shù)據(jù)復(fù)用率，提升并行ALU管線利用率。Imagination在技術(shù)白皮書中說，coherency sorting對于光線追蹤的價值，相當(dāng)于TBDR對于GPU效率的價值。C-Series中的IMG CXT被Imagination稱作現(xiàn)如今在能效方面最先進(jìn)的光線追蹤解決方案，預(yù)計基于該架構(gòu)的實際芯片產(chǎn)品會在2023年問世。這是一個全新的戰(zhàn)場，對任何市場參與者而言都如此。另外，Imagination透露不久還將有新產(chǎn)品發(fā)布。 ?實際在2017-2019年前后，Imagination曾面臨過多次企業(yè)層面的動蕩。不過在新篇章的IMG A-Series發(fā)布至今，PowerVR仍然以充滿活力的方式迎接著電子產(chǎn)業(yè)與圖形世界的未來。Imagination說到2022年，公司已經(jīng)在汽車HMI圖形市場占據(jù)超過50%的份額，移動圖形市場占比也超過35%。這個成績的獲得對擁有30年歷史的PowerVR架構(gòu)而言還是很不容易的。畢竟兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的幾十年GPU發(fā)展史，多少原先的市場參與者都已經(jīng)不在了。其實本文還沒怎么涉及到PowerVR計算機視覺和AI產(chǎn)品線。不過在動蕩期過后，PowerVR的確正以全新的面貌嘗試進(jìn)駐更多萬物互聯(lián)的市場。本文的下篇，我們會著重描繪Imagination長期以來引以為傲的TBDR技術(shù)。Imagination也將參與即將于11月10日在深圳大中華交易廣場舉辦的IIC深圳（2022國際集成電路展覽會暨研討會）。屆時Imagination中國區(qū)董事長白農(nóng)將在同期舉辦的全球CEO峰會上發(fā)表主題演講。IIC是由Aspencore主辦的電子產(chǎn)業(yè)權(quán)威交流平臺。展會設(shè)置IC設(shè)計專區(qū)、分銷與供應(yīng)鏈專區(qū)、綜合展區(qū)等，集合了國際國內(nèi)最頂尖的電子科技產(chǎn)業(yè)領(lǐng)袖。同期還將舉辦全球CEO峰會、全球分銷與供應(yīng)鏈領(lǐng)袖峰會、國際工業(yè)4.0 技術(shù)與應(yīng)用論壇及第24屆高效電源管理及功率器件論壇。掃碼報名參會。

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Imagination Technologies是一家總部位于英國的公司，致力于研發(fā)芯片和軟件知識產(chǎn)權(quán)（IP），基于Imagination IP的產(chǎn)品已在全球數(shù)十億人的電話、汽車、家庭和工作場所中使用。獲取更多物聯(lián)網(wǎng)、智能穿戴、通信、汽車電子、圖形圖像開發(fā)等前沿技術(shù)信息，歡迎關(guān)注 Imagination Tech！