GPU爆炸式发展的背后及未来挑战趋势

　　移动设备已经成为最主要的游戏平台，由于移动游戏的便捷性，玩家人数持续增加，并进一步推动游戏数量的上升。从免费的独立游戏到数百万美元投资的工作室游戏，现代玩家有丰富的游戏类型、价格和质量等级可供选择。随着可选游戏数量的上升，视觉效果也得到显著改善。GPU刚刚引入移动设备时，3D游戏简单粗暴，不堪入目。而现在呢?游戏画面丰富多彩，景色怡人，动态感十足，在上一代的手柄游戏机时代都是前所未闻的。

　　上图是ARM演示团队制作的三张示意图。我们先来看看相对简单(以今天的标准)的3D内容，演示游戏为2010年推出的True Force，运行于2011年款的Galaxy S2。每帧图元16k，片段处理每像素时钟周期3.7次，基于OpenGL ES 2.0。

　　3年后的2013年，OpenGL ES 3.0正式推出，改善了GPU对GPU运算的支持(并不是OpenGL ES 3.0 API的主打特色，而随OpenGL ES 3.1正式推出);允许开发商使用更多高级渲染技术。结合基础硬件后，视觉质量显著提升。将Trollheim演示与TrueForce比较一下便可一目了然，前者的复杂性比后者高了不少。TrueForce的每帧图元为16k，而Trollheim为150k，TrueForce的片段处理每像素时钟周期为3.7次，而Trollheim则为16次。

　　2016年，Vulkan正式推出，API效率大幅提高，与OpenGL ES相比能够以更低的开销帮助开发商更好地发挥硬件性能。当然，硬件本身也快速发展，比较一下Lofoten和Trollheim演示，我们即可清楚地看到复杂度的提升：每帧图元提高了300%，片段复杂度提高了150%。

　　智能手机设计的挑战与趋势

　　使用场景的变化仅是一个方面，移动设备本身也经历大幅升级。智能手机市场最初主打旗舰机型，随着智能化程度的不断提高，很多 PC特性已经可以实现，但通讯依旧是其主要功能。然而，过去短短几年间，智能手机用途不断扩展，打电话已不再是智能手机的主要功能，图像显示成为了关注焦点。

　　过去，手机电池寿命一般用单次充电支持的通话时长来衡量，而现在的标准则是网络浏览或高端游戏的续航时间，GPU与显示性能一起备受关注。用户希望体验更高质量的视觉效果，到目前为止，这一目标都是经由智能手机设计改善，以及显示内容的美感和流畅性来实现，一个证据就是屏幕边框变得越来越窄。市场的大致趋势是朝着屏幕包裹设备的方向发展，设计美感更多由UI而非硬件来实现。下图中，我们可以看出屏幕占整个设备的比例不断增加。这一趋势在三星Galaxy S7 Edge等机型上体现得尤为明显，已经实现屏幕对设备的全包裹。

　　除了打电话，现代智能手机还能提供极为丰富的功能，如邮件、社交媒体、导航定位、支付、浏览网页、游戏、拍照和视频等等。用户在期待功能升级的同时，也希望电池寿命不断延长。但是，即便使用当前所有最先进的技术，智能手机的电池容量还是要不断增大，具体变化趋势见下图。

　　除了电池容量变大，智能手机还变得越来越薄。一些机型的厚度甚至已经达到了7毫米以下，考虑到现代智能手机的技术含量，如此纤薄实在令人惊讶。

　　这样的发展方向并非完全没有弊端。屏幕增大导致电池尺寸变大，机身变薄，设备散热能力下降，因为屏幕的散热效率不如金属机身。此外，机身变薄后，用以散热的表面积也会减少。现代高端智能手机的性能上限很大程度上被散热能力牵制，如何保证机身内部元器件不因为高温而受损则因此成为另一大挑战。

　　现代智能手机装有多种耗电发热的核心元件，如摄像头子系统、屏幕、调制解调器、Wi-Fi、非易失性存储器、DRAM和主芯片本身(包括CPU、GPU和其他处理器)。因为总功耗一致，所以其中任何一个元件功耗的减少，都可以增加其他元件可以使用的配额，这也是系统功耗配比由用例决定的原因。

　　现代GPU非常复杂，严重依赖CPU运行驱动程序，以实现基于软件与应用程序进行交互。多亏了Vulkan这样的现代API，驱动程序的开销下降了，但是CPU依然需要运行驱动程序，所以不能完全避免耗电。由于所有元件功耗预算共享，因此在CPU中使用的、用于GPU交互的功耗就是不能应用于GPU本身的功耗。基于上述原因，降低CPU功耗势在必行，不仅是为GPU发展扫清瓶颈，更是要为尽可能的提高GPU可用功耗铺平道路。

　　与之类似，在运行复杂3D游戏的现代系统中，GPU会消耗大量DRAM带宽。由于要处理大量数据(上述提及的Lofoten每帧处理600,000个三角)，消耗带宽责无旁贷，但DRAM的读写本身就是耗电的过程，也需要占用系统的总功耗预算。减少DRAM带宽可以降低其功耗，并用于其他元件。