PowerVR 全新圖像微架構(gòu)：Furian GPU 顯示的神奇之處

圖像領(lǐng)域發(fā)展日新月異。2012年，我們發(fā)布了第一款 PowerVR Rogue可授權(quán)GPU IP，在那之前，我們一直在研究微架構(gòu)，并在2011年對(duì)其進(jìn)行了展示。如今，發(fā)布PowerVR SGX的繼承版已經(jīng)6年時(shí)光，但它至今一直保持強(qiáng)勁勢(shì)頭。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，目前Series7XT和Series8XE一直在使用其最新的版本。就性能和功能集而言，GPU可能是現(xiàn)代應(yīng)用程序處理器中發(fā)展最快速的部分，但有個(gè)前提是，整個(gè)創(chuàng)建和裝配過程的時(shí)間跨度非常大，尤其是要在微架構(gòu)中詳細(xì)地涵括某個(gè)概念時(shí)。

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GPU沒有標(biāo)準(zhǔn)的指令集架構(gòu)（ISA），這使得它可以快速發(fā)展。GPU本身就可以自由實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新，并且在GPU中發(fā)生的變化比當(dāng)今的CPU更快。這是因?yàn)樗褂昧烁邔哟蔚腁PI，且隨著硬件的不斷更新，可擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)程序也進(jìn)行了更新。盡管沒有標(biāo)準(zhǔn)的ISA可以執(zhí)行且驅(qū)動(dòng)程序和高層次API沒有安全網(wǎng)，GPU架構(gòu)也不會(huì)受到安全威脅。

所以，當(dāng)我們發(fā)布新的圖像微架構(gòu)Furian，即自Rogue以后的第一款新架構(gòu)時(shí)，有很多人仍然覺得很熟悉。不用說，F(xiàn)urian仍然是基于分塊的延遲渲染器(TBDR)。若您不熟悉TBDR及其工作原理，可以閱讀以下兩篇文章：“PowerVR 圖形架構(gòu)探索：tile-based渲染”及“延遲的含義”。從廣義上講，F(xiàn)urian仍應(yīng)用了TBDR，所以您也可以跟著我們一起了解其背后神奇的工作原理。

讓我們開啟一趟旅程，盡情瀏覽Furian。我們將Furian與Rogue的背景進(jìn)行對(duì)比，希望通過對(duì)比，大家可以知曉架構(gòu)師和設(shè)計(jì)師所面臨的挑戰(zhàn)。至于為增強(qiáng)性能和效率采用的新方法，您無需費(fèi)解，不過，為了改善PPA常數(shù)（功率、性能和內(nèi)存占用量）的確有一套方法。要了解Furian，可以先了解微架構(gòu)。我們先看看其擴(kuò)展性。

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可擴(kuò)展性

假設(shè)您已經(jīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的GPU。您可能已經(jīng)開始處理幾何圖形、通過光柵化將其轉(zhuǎn)換成像素、紋理單元、從GPU輸出完成的像素至最后的屏幕上，可能使用某種統(tǒng)一的計(jì)算內(nèi)核來進(jìn)行著色。

目前，這些著色部分至少涉及頂點(diǎn)、像素和計(jì)算。如果我們繼續(xù)深入研究，會(huì)發(fā)現(xiàn)，由于每個(gè)頂點(diǎn)、像素和計(jì)算工作項(xiàng)在光譜中有部分完全獨(dú)立，故而計(jì)算內(nèi)核至少在某種程度上具有并行性。所以，我們有一個(gè)并行且統(tǒng)一的著色器內(nèi)核，及其他一些使用該內(nèi)核處理集中圖像任務(wù)的項(xiàng)。想象一下，若需要擴(kuò)展性能，您會(huì)怎么做？

最簡(jiǎn)單的做法是將整個(gè)GPU復(fù)制一次或多次，且將一些額外的邏輯分發(fā)到每一次復(fù)制中。在基礎(chǔ)的GPU設(shè)計(jì)中，無論資源平衡與否，如果所做的工作只是多次復(fù)制，那在一個(gè)更大的設(shè)計(jì)中，實(shí)際的工作負(fù)載總會(huì)出現(xiàn)不平衡。這并不是說，這不是有效的方法，實(shí)際上，Series5XT一直是遵循著這個(gè)方法。若對(duì)SGX543MP4有所耳聞，那您可能了解，它有四個(gè)完整的SGX543 GPU及一些輔助邏輯進(jìn)行粘合，并作為單一的GPU呈現(xiàn)在系統(tǒng)中。

但若想擴(kuò)展總體性能達(dá)到某個(gè)點(diǎn)，這種做法對(duì)于實(shí)際的工作負(fù)載不太適合，且會(huì)影響占用面積和功效，因?yàn)轭~外的比特開始閑置。相反，對(duì)于什么數(shù)值會(huì)上升且什么數(shù)值會(huì)大體保持相同，需要更加了解，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)要參考性能/內(nèi)存占用曲線。

這意味著，從內(nèi)部將GPU組織成塊，或組塊，這樣在單個(gè)的GPU邊界內(nèi)便可以相互獨(dú)立地進(jìn)行擴(kuò)展。目前，幾乎所有的GPU都是這樣設(shè)計(jì)的，以此將目標(biāo)設(shè)計(jì)點(diǎn)的效率最大化，F(xiàn)urian也不例外。

不過，F(xiàn)urian與Rogue又有所不同。Furian在結(jié)構(gòu)上的調(diào)整意味著，前端(幾何圖形和光柵)、內(nèi)核(ALU和紋理)和后端(像素輸出至內(nèi)存)之間的平衡并非那么嚴(yán)格。使用頂級(jí)內(nèi)核塊的微架構(gòu)，我們稱之為SPU，或者說可擴(kuò)展處理單元。

SPU包含一個(gè)幾何圖形管線、一個(gè)光柵管線、一個(gè)紋理管線(TPU)、一些USC及兩個(gè)后端管線(PBE)。且目前，F(xiàn)urian已經(jīng)擴(kuò)展了一個(gè)SPU。還有一些關(guān)鍵的比特不在SPU中，且只出現(xiàn)一次。通常，最引人注目的SPU便是貼圖器，但就計(jì)算而言，只用在SPU層面考慮Furian。

每個(gè)SPU包含的USC數(shù)量使我們能夠平衡Furian設(shè)計(jì)的計(jì)算資源以滿足市場(chǎng)需求。正如我們?cè)?011年發(fā)布Rogue架構(gòu)并在2012年投入產(chǎn)品一樣，我們沒有發(fā)布特定的Series8XT產(chǎn)品配置，但其微架構(gòu)支持內(nèi)部資源擴(kuò)展。您可能會(huì)問，這如何與7XT-generation Rogue進(jìn)行區(qū)分？