深度揭秘："萬物GPU"（The GPU of Everything）

幾個月前，Imagination在其“Inspire年度技術(shù)大會”上發(fā)布了全新的第十代PowerVR圖形處理架構(gòu)IMG A系列（IMG A-Series）。作為Imagination有史以來性能最強大的圖形處理器（GPU）半導體知識產(chǎn)權(quán)（IP）產(chǎn)品，IMG A系列GPU具有多維度的可擴展性、低功耗圖形處理和計算性能，是一系列垂直應用領域的理想解決方案，可支持手機、平板電腦、游戲、汽車、機頂盒、8K超高清電視、桌面處理器、服務器等應用，因此Imagination稱其為“萬物GPU”（The GPU of Everything）。

IMG A系列是GPU技術(shù)的一次重大飛躍，在每一個維度上都提供了顯著的改進。相比Imagination的第九代PowerVR GPU，比如聯(lián)發(fā)科（MediaTek）的Helio P95 SoC所采用的PowerVR GM9446 GPU，在相同的時鐘和半導體工藝上，IMG A系列的圖形處理性能提高了2.5倍，人工智能（AI）處理速度提高了8倍，同時功耗降低了60％，這些特性著實讓人印象深刻。

與當前其他可用的GPU IP解決方案相比，IMG A系列具有更佳的PPA（性能、功耗、面積）指標，可提供更高的性能、更低的功耗（與采用相同時鐘和半導體工藝的競品相比）和更低的帶寬（與競爭對手使用相同的緩存大小），并且所有產(chǎn)品均占用更小的芯片面積。在所有應用領域中，IMG A系列GPU都能夠在更長的運行時間里以極低的功耗預算提供最佳性能，因此它確實是可應用于一切設備的“萬物GPU”。

IMG A系列的增強性能

相比Imagination現(xiàn)在提供的GPU產(chǎn)品，IMG A系列實現(xiàn)了顯著的性能提升，你可能會好奇他們是如何一步到位做到這一點的，其實這些改進源于各方面的性能增強，下面來具體看看他們通過哪些技術(shù)手段實現(xiàn)了這些性能增強。

超寬的ALU單元

帶來顯著性能加速的原因是ALU單元的變化。ALU單元的全稱是算術(shù)邏輯單元，它是圖形處理單元的基本部分，可以為圖形處理和計算任務提供強大的計算性能。對于IMG A系列而言，Imagination從雙MAD x32寬度的ALU改為了單MAD 128線程寬度的ALU。通過轉(zhuǎn)換為128線程寬的單元，IMG A系列能夠在每個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行更多的操作指令，從而為提升功耗效率奠定了基礎。當然，保證ALU單元有足夠的數(shù)據(jù)也很關鍵，Imagination通過幾個機制確保了這一點，其結(jié)果就是性能顯著提升，功耗明顯降低。

HyperLane（超線程）技術(shù)

現(xiàn)代的GPU都需要支持多任務處理，為了能夠高效且安全地實現(xiàn)這一點，Imagination開發(fā)了HyperLane技術(shù)，并將其用于IMG A系列。從最低性能到最高性能的每款A系列GPU，都擁有8個獨立的硬件控制通道。這些通道在內(nèi)存中是相互隔離的，意味著可以有8個完全不同的工作負載同時運行。這樣，不同的任務便可以同時交由GPU處理，從而實現(xiàn)了完全安全的GPU多任務處理。這一功能在目前的市場上是獨一無二的。

HyperLane技術(shù)還有一個特性稱為動態(tài)性能控制，它可以確保GPU將性能合理地分配給多個圖形處理或計算任務，以實現(xiàn)GPU利用率的最大化，從而提升實際性能。例如，你可以在使用信息娛樂系統(tǒng)的同時在GPU上運行儀表盤，而不必擔心至關重要的儀表盤性能受到影響。關于動態(tài)性能控制，Imagination在桌面處理器領域也進行了很好的探索，一個物理內(nèi)核作為多個邏輯內(nèi)核出現(xiàn)，支持多任務同時處理，從而提升硬件資源利用率和多任務處理性能。

HyperLane技術(shù)也可以在安全方面為諸多應用提供支持，例如數(shù)字電視、安防監(jiān)控等。對于數(shù)字電視的內(nèi)容提供商而言，一個關鍵的問題是通過數(shù)字版權(quán)管理來確保他們的內(nèi)容IP（無論是視頻還是音頻）安全。雖然有些競爭廠商的GPU提供了“TrustZone（信任區(qū)）”特性，但這是一種“把所有雞蛋放進一個籃子里”的做法，即所有應用程序都部署在一個安全內(nèi)存中。而HyperLane技術(shù)的內(nèi)存隔離功能是將每個服務或應用程序放在完全獨立的安全內(nèi)存中，因此即使一個應用程序受到黑客攻擊也不會暴露其他應用程序的內(nèi)容。

AI協(xié)同功能

IMG A系列GPU還支持一項新功能——AI協(xié)同（AI Synergy），該功能可支持SoC設計人員利用IMG A系列令人難以置信的計算能力來加速其AI工作負載。通過AI協(xié)同功能，GPU可以在提供圖形處理能力的同時，使用其備用資源支持可編程AI，同時固定功能的AI運算則可以放在專用的神經(jīng)網(wǎng)絡加速器（例如Imagination的PowerVR 3NX NNA）上執(zhí)行，從而實現(xiàn)更高的AI性能。AI 協(xié)同功能可在最小的芯片面積上支持可編程AI，而統(tǒng)一的軟件棧則可實現(xiàn)靈活性和出色的性能。

配置緩存空間

IMG A系列產(chǎn)品的另一項新特性是緩存大小可以根據(jù)自己的需要進行配置，從而支持用戶大幅度降低GPU的帶寬需求。用戶可以減少更多的系統(tǒng)級緩存，以減少使用系統(tǒng)內(nèi)存的需求，或者使用性價比高的外部RAM來降低功耗、發(fā)熱量和系統(tǒng)成本。

“完美像素”特性

“完美像素”特性可以歸結(jié)為在不犧牲圖像質(zhì)量的情況下提供出色性能的一系列技術(shù)。Imagination為了實現(xiàn)“完美像素”，在IMG A系列GPU中應用了許多新技術(shù)和成熟技術(shù)。例如，Imagination獨有的PVRIC4圖像壓縮技術(shù)，可以實現(xiàn)無損壓縮或高度優(yōu)化的有損壓縮，從而確保至少減少50%的帶寬并節(jié)省50%的內(nèi)存占用。IMG A系列中還加入了新的細節(jié)等級算法和各向異性濾波算法，這兩種算法都能夠顯著提高圖像質(zhì)量。

IMG A系列支持各類應用場景

之所以將IMG A系列GPU稱為“萬物GPU”，是因為它可以為各類應用場景提供理想解決方案，包括移動設備、游戲、汽車、數(shù)據(jù)中心/服務器、數(shù)字電視/機頂盒、安防監(jiān)控、桌面處理器、人工智能物聯(lián)網(wǎng)（AIoT）等應用。

下面列舉了一些IMG A系列可以提供支持的應用案例。

游戲

由于散熱條件限制，大多數(shù)移動GPU都很難提供持續(xù)一致的游戲體驗，即它們在短時間內(nèi)可快速運行，然后隨著芯片發(fā)熱，性能會下降到不可接受的水平，最后再也無法恢復，從而導致令人失望的用戶體驗。

IMG A系列GPU可以通過提供持續(xù)穩(wěn)定的幀速來消除因芯片過熱導致的時鐘降頻甚至故障等情況，從而為游戲用戶提供最佳的體驗。Imagination通過多種技術(shù)來確保實現(xiàn)這一點：基于分塊延遲渲染（TBDR）技術(shù)，IMG A系列GPU只需繪制屏幕上可見的內(nèi)容，這使它具有與生俱來的帶寬和功耗優(yōu)勢；使用了主動動態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié)（DVFS）及時限調(diào)度（Deadline Scheduling）算法的先進功耗控制技術(shù)，可提供具有超低響應延遲的快速功耗控制能力；如果GPU的某些部分沒有得到充分利用或沒用于處理工作，它們就會被立即降頻甚至進入睡眠狀態(tài)，以確保最佳的功耗效率。

此外，Imagination對“完美像素”的強烈專注也使得IMG A系列GPU可以為游戲用戶提供完美的圖像質(zhì)量。這體現(xiàn)在很多技術(shù)細節(jié)上，包括行業(yè)領先的視覺無損PVRIC壓縮技術(shù)、完全重新設計的各向異性濾波算法，以及其他一些全新設計的算法實現(xiàn)。

汽車

在現(xiàn)代化汽車中，數(shù)字儀表盤顯示的信息對駕駛員至關重要，因此要求GPU為其提供充分的性能支持。同時，諸如信息娛樂系統(tǒng)、衛(wèi)星導航等其他功能也需要GPU的支持。所有這些功能可以由單個高性能IMG A系列GPU來驅(qū)動。通過將Imagination的硬件虛擬化技術(shù)與HyperLane技術(shù)結(jié)合在一起，可以提供優(yōu)先級技術(shù)和完美的內(nèi)存隔離機制，從而使IMG A系列GPU在運行上述所有功能的同時，可以確保主要任務的運行效率并滿足用戶對其他功能的體驗需求。這意味著，其他工作負載的運行不會影響儀表盤的使用，同時當其他工作負載出現(xiàn)問題時也可以保護儀表盤的數(shù)據(jù)不受影響。

數(shù)據(jù)中心

GPU作為高度并行的計算協(xié)處理器，其擁有的能力使其非常適合于加速包括3D圖形在內(nèi)的多種任務。IMG A系列GPU的設計可以滿足云端的圖形處理和計算需求，其將會推動基于云的AI訓練和推理以及未來云游戲體驗的發(fā)展。此外，數(shù)據(jù)中心對于能效是非常敏感的，而IMG A系列的低功耗設計使其非常適合數(shù)據(jù)中心對能效的需求，比如HyperLane技術(shù)可以最大化GPU的資源利用率，從而可有效地提升能效。

IMG A系列IP內(nèi)核

IMG A系列GPU從多個維度實現(xiàn)了性能可擴展性，從面向入門級市場的每時鐘周期處理1個像素（1 PPC）的組件，一直到用于高性能設備的速度高達每秒2萬億次浮點運算（2 TFLOPS）的內(nèi)核，甚至到針對云應用的、速度超越2 TFLOPS的多核解決方案，IMG A系列可以面向各種性能需求提供支持。

Imagination最新發(fā)布的IMG A系列GPU涵蓋AXT、AXM、AXE三類產(chǎn)品，共七款內(nèi)核，其中包括四款高性能內(nèi)核，一款面向中端設備的內(nèi)核，以及兩款可為更低成本的細分市場提供最佳PPA指標的內(nèi)核：

IMG AXT-64-2048旗艦版：擁有2 TFLOPS、64 Gpixels的性能，以及8 TOPS的AI性能。

IMG AXT-48-1536：面向高端手機，性能為1.5 TFLOPS、48 Gpixels和6 TOPS。

IMG AXT-32-1024：面向高性能移動設備和汽車應用，性能為1TFLOPS、32 Gpixels和4TOPS。

IMG AXT-16-512：面向中高性能移動設備和汽車應用，性能為0.5 TFLOPS、16 Gpixels和2 TOPS。

IMG AXM-8-256：面向中端移動設備，性能為 0.25 TFLOPS、8 Gpixels和1 TOPS。

IMG AXE-2-16：面向高端物聯(lián)網(wǎng)、入門級數(shù)字電視/機頂盒（DTV/STB）、顯示和其他需要高填充率的應用，性能為16 GFLOPS和2 Gpixels。

IMG AXE-1-16：面向入門級移動設備和物聯(lián)網(wǎng)，為同類產(chǎn)品中速度最快的支持Vulkan功能的GPU，性能為 16 GFLOPS和1 Gpixels。

面向未來

目前，Imagination已經(jīng)將IMG A系列GPU在多個市場中授權(quán)給了客戶，首批搭載該IP的SoC器件將在今年供貨。

本文介紹的只是IMG A系列 GPU的一部分功能特性和應用場景，如果你想了解“萬物GPU”的更多信息，歡迎點擊“此處”訪問Imagination官網(wǎng)頁面。

更重要的是，IMG A系列GPU只是Imagination一個新的起點，他們制定了一個從IMG A系列開始的產(chǎn)品開發(fā)路線圖，在未來幾個月至幾年內(nèi)，他們將帶來更多的產(chǎn)品設計。當然，如果你正在為產(chǎn)品設計尋找GPU IP，那么IMG A系列無疑是你當前最好的選擇。