GPU如何工作:PowerVR/高通Adreno/ARM Mali的渲染模式分析

2020-12-13 電子產品世界

　　在上一篇文章《【技術解析】GPU如何實現三維渲染及非圖形計算?》我們已經了解了GPU工作流程以及作用，但GPU絕無這麼簡單。目前市場上的 GPU 主要由三家公司主導，分別是ImgTec的PowerVR系列、Qualcomm(高通)的 Adreno 以及 ARM(安謀)的 Mali，其中PowerVR被蘋果採用，Adreno被高通整合到驍龍SoC當中，Mali應用最為廣泛，有三星Exynos、MTK Helio、Mstar等等，按渲染模式可以劃分為IMR與TBR/TBDR兩大流派，下面我們先從PowerVR說起。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201606/292810.htm

　　PowerVR —— 延後式分塊渲染架構

　　ImgTec(或者說 Imagination Technologies)的前身是 1985 年在英國成立的VideoLogic公司，在上世紀90年風靡一時的世嘉DreamCast遊戲機就是採用該公司技術授權生產的圖形處理器。



　　ImgTec目前旗下有多個分部，PowerVR是其中專門從事GPU、視頻處理單元、攝像機智慧財產權內核技術開發的分公司。

　　PowerVR雖然從事GPU開發，但是它並不直接售賣晶片實體，而是透過授權的方式，將晶片內核技術以收取權利金的方式讓第三方晶片廠商生產、銷售、使用，例如蘋果公司、英特爾公司、聯發科、索尼等，商業模式和同樣是英國公司的ARM一樣。

　　技術內核授權方式給了晶片廠商和系統集成廠商非常高的靈活性和快速切入市場的能力，他們可以在較短的時間裡就實現各種配置的靈活組合。如果你看過我前面介紹的圖形流水線就知道，要做好一枚具競爭力的GPU難度是相當大的，中間涉及大量的技術積累。

　　像NVIDIA、AMD這樣的廠商都不是突然冒出來的，他們都經歷過非常慘烈的市場競爭、有業界最強大的研發團隊以及與周邊軟體開發商經年累月的開發合作關係，現在一個新丁公司仿效NVIDIA模式貿然闖進GPU開發領域的話，如果不是手握十億美元級規模的資金來換取技術和各種市場資源的話，恐怕連響都聽不到。

　　在上世紀90年代末和本世紀前兩年，PowerVR也在桌面市場和NVIDIA、3dfx進行過捉對廝殺，不過由於商業模式並不十分適合桌面市場，所以在僅有母公司VideoLogic(1999年更名為Imagination Technologies)推出的Kyro II後就不再踏足桌面獨立顯卡市場，轉而全力發展嵌入式領域，從此一發不可收拾。



　　PowerVR在桌面獨立顯卡市場的最後一款產品是PowerVR3系列，原定用於Kyro III/IV的後續產品PowerVR4由於退出桌面市場，對公眾而言只停留在幻燈片(上圖的STG5000就是原本計劃用在Kyro III的PowerVR4)中。

　　當然，PowerVR並沒有完全退出桌面市場，他們和Intel達成了技術授權協議，英特爾可以在其集成GPU中採PowerVR MBX架構，英特爾在很長的一段時期內的集成GPU都採用了這個微架構內核。



　　PowerVR MBX據聞是世嘉DreamCast那枚PowerVR PCX 2的升級版，從技術資料來看的話，其實PowerVR MBX有些類似於PowerVR4，官方的PowerVR MBX白皮書裡也明確寫著：

　　4th generation tile-based deferred rendering(第四代塊元式延後渲染)

　　從規格表來看，PowerVR MBX支持OpenGL ES 1.1，相當於OpenGL版本1.5或者DirectX 8.x的變種版。

　　所以，PoweVR MBX應該是和PowerVR Series 4一脈相承的，PowerVR MBX屬於後者的移動版本。

　　什麼是TBDR呢?

　　在前面介紹的圖形渲染流水線，GPU在渲染的時候，一般是逐個三角形渲染的，如果以深度順序來劃分，可以分為從遠到近(畫家畫法)、從近往遠，開發人員可以在編寫代碼的時候指定渲染順序。

　　如果依照在圖形流水線什麼階段進行三角形排序，又可以分為sort-first、sort-middle、sort-last，middle是中間的意思，指的是從模型空間到屏幕空間這部分工位，sort-middle就是指在這段進行三角形前後順序排序。sort-last是指在這之後進行三角形排序，sort-first是指在這之前進行三角形排序。



　　Sort-First一般用於多GPU渲染方案，基於片元方式的Sort-Last在目前絕大多數的GPU微架構中使用，而Sort-Middle則是PowerVR的三角形排序方案，需要在幾何變換和光柵化之間進行圖元的排列/分倉處理，在解決了可視性問題後再進行貼圖和著色處理。

　　這個步驟會造成一定的延遲，加上採用了塊元式渲染，所以像PowerVR這種渲染架構被稱作塊元式延後渲染器(Tile Based Deferred Rendering，TBDR)。

　　而一般的GPU被認為是看到一個三角形就馬上渲染，所以被稱為立即渲染器(Immediate Mode Rendering)，立即渲染器也可以分為塊元式(例如ARM Mali)和非塊元式(例如AMD、NVIDIA 「目前」的GPU)。



　　(IMR)

　　什麼是TBDR?

　　PowerVR 微架構誕生於上世紀90年代初期，針對的是初代的三維遊戲機，當時的人們希望這枚晶片的效率要儘可能地高，由於受到半導體技術的限制，所以在這時期有各種現在看來稀奇古怪的偏重於某個技術指標的晶片。

　　要效率高，其中一個辦法就是只渲染屏幕上能看到的三角形所覆蓋的片元，人們引入了名為HSR(Hidden Surface Removal，隱面消除，這裡的隱面是指被其他實體多邊形遮蓋的多邊形)來消除無效片元來實現這個目標。



　　(TBDR)

　　在TBDR的渲染流水線裡，幾何階段生成(已經經過裁剪)的多邊形或者說三角形參數信息都存放在一個名為Scene Buffer(場景緩存)或者Parameter Buffer(參數緩存，這是相對新近的叫法)的內存裡，理論上裡面保存的應該是同一幀畫面裡的所有三角形信息，其位置在顯存裡(對於採用統一內存架構的手機而言，則是和系統內存一樣位於同一塊物理內存上)。

　　這一步是TBDR獨有的，相較之下，傳統的GPU在幾何階段扔出到三角形後紋理單元/著色單元就馬上渲染，因此人們將傳統的GPU渲染方式稱作立即渲染器。



　　這裡請不要把TBDR 和延後式渲染混淆，後者是指把多個片元渲染後在進行後期處理(例如打光、模糊等效果)，同樣是「延後」一詞，但是對應的渲染節點完全不一樣。

　　在生成Scene Buffer的同時，PowerVR GPU內部的塊元加速器會對這些三角形進行分倉(Binning)或者說篩選(sorting)處理，這個動作會依照16像素*16像素(取決於具體的GPU實現，像PowerVR PCX2可以是32*32或者32*16，PowerVR SGX 5上是16*16，「新的」PowerVR Series 6/7是32*32，這樣的分塊被稱作塊元，即Tile)的大小，將Scene Buffer中位於塊元內的所有三角形的指針存放到一個對應的塊元緩存(Tile Buffer)中。



　　對於一個大小為1920x1080的全高清屏幕，用16*16的塊元大小進行切分，可以切成大約8100個塊元，每個塊元在「顯存」中都有一個對應的塊元緩存，裡面存放的就是上面所說的位於塊元內的三角形數據指針(指向Scene Buffer對應的三角形數據)。

　　所謂指針，是程式語言中的一個對象或變量，用來存儲某一個地址，這個地址的值直接指向(points to)存在電腦存儲器中另一塊存儲器空間的值。

　　從編程的角度而言，在這些塊元緩存存放的數據結構可以稱作圖元列表(primtive list)。

　　按照PowerVR或者說ImgTec的說法，他們在新的微架構中引入了幾何體壓縮技術，存放在Scene Buffer的幾何體數據是壓縮過的，在GPU頂點內存單元讀取時候再解壓，這樣的好處是可以顯著節省存放Scene Buffer的內存空間和帶寬，而這通常意味著：省電。

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