GPU爆炸式发展的背后及未来挑战趋势
2006年,图形处理器(GPU)总出货量约为1.35亿。同年,ARM完成对挪威Falanx公司的收购,并获得其移动GPU技术,完成对原有IP技术的扩展。10年后的今天,GPU已经广泛用于智能手机、DTV和平板电脑等多种设备,短短10年时间ARMMali技术也已成为全球出货量第一的GPU,仅2015年总计出货量就超过7.5亿。
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API与制程节点开发
对图形领域而言,2015年振奋人心全新应用程序接口(API)的出现允许开发商将基础图形硬件发挥至技术允许的最高水平。
同年,Khronos团队的工作引发有关Vulkan的热烈讨论。Vulkan是新一代OpenGL API,为新一代图形API设计量身打造,足以满足全部需求,并彻底终结了OpenGL ES和OpenGL作为API各自为政的时代。
Vulkan于2016年2月正式发布,是首款按照开发商需求设计的Khronos API。它由游戏引擎开发商、芯片提供商、IP公司和操作系统供应商共同开发,以期打造兼顾各相关方需求的最佳解决方案。Vulkan API应运而生,采用全新异构系统,不仅内置多线程支持,而且可以最大程度发挥硬件一致性的优势。Vulkan属于底层API,允许开发商自主决定硬件交互方式,并通过底层接入以找到最佳平衡点。
上述特性对虚拟现实(VR)等新兴应用尤为重要,帮助开放商减少延迟,优化图形流水线。
对聚焦GPU运算应用的开发商来说,OpenCL 2的发布是一个重要节点,多项全新理念进一步简化了高性能GPGPU(General Purpose GPU,即通用计算图形处理器)应用的开发流程。虚拟存储共享概念的提出可以说最为关键,允许CPU和GPU之间的虚拟地址共享。与硬件一致性结合后,细粒度缓冲器共享成为现实。该技术简化了实现CPU和GPU工作负载共享所需的开发工作,因为两者间的数据双向传输不再是必要条件。
半导体制造工艺也经历了巨大革新。2014年,台积电与三星推出20纳米工艺节点,标志着平面工艺节点的10年历史终于落幕;2015年,三星在Exynos 7420上使用全新14纳米FinFet技术,台积电紧随其后,推出16纳米FinFet工艺,并搭载于苹果A9芯片;2016年,工艺节点获得进一步完善,成本降低,产量增加;步入2017年,10纳米工艺节点也不再是梦想。
从GPU的角度看,工艺节点技术的进步对整个行业意义非凡。首先,工艺节点越先进,单位区域(或功耗)的晶体管密度就越大。GPU属于并行处理器,只要架构扩展,性能就会随之提升。然而,先进工艺节点对布线的扩展效果不如晶体管。恰恰相反,Ergo 工艺制程从28纳米优化至14纳米,SoC设计师得以实现更高的晶体管密度,但却不如布线的扩展。这意味着,如果设计10纳米GPU时采用与28纳米同样的方法,设计结果必然会打折扣,因为晶体管和布线各有权衡,不尽相同。设计师常常需要妥协,使IP适应某个节点,这种权衡随着先进工艺节点数量的增加变得愈加重要。
深入探讨高端移动GPU的性能如何继续提高之前,我们需要特别指出GPU性能从2011年到2016年提升了20倍这个有趣的事实。由于手机同时变得更加轻薄,因此该数字并不能代表技术进步的全景,但现代移动设备开发商对性能提升的渴求已经可见一斑。
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移动设备开发商不断完善现有用例,开发颠覆性的新用例,以保持创新节奏,并从新一轮的性能升级中获益。
丰富的案例开发,这些应用你体验过吗?
随着移动平台的发展,各类传感器层出不穷。凭借飞速提升的系统性能、不断改善的屏幕精度和日益增加的电池寿命,移动设备开发商已经坐拥创新的最佳平台。
增强现实(AR)可以充分挖掘并展现智能手机的强劲性能。AR的原理并不复杂,利用高级摄像头捕捉图像,经过CPU、GPU、ISP、VPU和DPU,最后显示在高清屏幕上。这个过程中,增强内容将覆盖实际影像。根据应用目标的不同,物体识别、方位补偿(使用电子罗盘和/或加速度计)或高级渲染技术都将各有用武之地。
一些人气移动应用让AR不再远在天边,并一举进军大众市场,比如将滤镜叠加在用户脸部,然后生成图片和视频用于分享的Snapchat;以及让用户在真实地点看到动画人物的Pokemon Go。无独有偶,还有一些应用采取了更高级的AR技术,比如将摄像头捕捉与3D物体相结合。这些创新用例层出不穷,并可以用于包括零售和高端游戏在内的各行各业。举个例子,用户可以使用移动设备查看家具是否与硬装搭配,家具巨头宜家就打算在2017年发布AR产品目录。
虚拟现实已经不算新理念了,但其核心技术却仍在经历巨变。硬件设备已经万事俱备,拥有足够强大的性能运行炫目的VR内容,一个适合创新的大规模开发商生态系统也已经形成。这一点在移动平台的体现格外深刻,因为人人都能用,且其移动性自身便是重要优势。与台式机和游戏机不同,移动设备无拘无束。当然,实现这一点需要在设备上安装各类传感器。实际上,VR领域的许多重大突破都是在移动设备上实现的——利用VR技术增强用户体验的云霄飞车就是高性能移动应用的一个典型案例。
尽管推陈出新的颠覆式应用不断刷新智能手机的使用方式,但我们经常会忘记一点现实,最普遍的移动应用情景依然是网页浏览和游戏。近几年,屏幕分辨率和刷新率都得到提升,用户界面(UI)的视觉效果和使用体验也越来越自然。这些优化对GPU提出了更高要求,成为成本导向型市场不小的挑战。
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