移动GPU迎变革，光线追踪即将到来

　　作者：包永刚

　　正如手机厂商之间的竞争越来越激烈一样，手机芯片公司的竞争也因为 5G 和 AI 发生着变化。今年 4 月，高通推出了面向游戏玩家的骁龙 730G 处理器平台。三个月后，高通没有召开发布会推出骁龙 855+，提升 5G、游戏、AI 和 XR 体验。8 月，联发科也推出了首款为游戏而生的移动平台 Helio G90/G90T。

　　高通和联发科推出游戏处理器是看好不断增长的移动游戏市场以及手游对 GPU 更高的性能的需求，这种需求向上传导就会影响 Arm、Imagination 等 IP 提供商。从各家最新发布的 GPU 产品看，移动 GPU 市场正因 5G、AI、自动驾驶等迎来了变革。

　　手游成 GPU 升级重要推手，AI 性能倍数提升

　　市场研究公司 Jon Peddie Research 的首席研究员兼创始人 Jon Peddie 表示：“事实上对于移动 SoC 来说，市场领导者都拥有自己的 GPU 技术，并以每年5％ 的速度在增加市场份额。为了防止流失其潜在市场，其他的移动 SoC 公司就需要一种令人信服的 GPU 来创造一些真正的竞争力。”

　　比如，今年 9 月随 iPhone11 发布的苹果 A13 处理器，集成的 GPU 速度提升 20%，功耗降低 40%。高通本月发布的骁龙 865，集成的全新 Adreno 650 GPU，整体性能较前代平台提升 25%。

　　显然，GPU IP 的提供方需要更显著的提升吸引华为、联发科、三星等公司，而 AI 性能的提升又是关键之一。今年 5 月，Arm 推出了全新的 GPU 架构 Valhall，基于 Valhall 架构的全新 GPU Mali-G77 可以实现性能提升 40%、效能提升 30%，性能密度提升 30%、机器学习性能提升 60%。Arm 表示，Mail-G77 着力于在移动游戏方面的提升，同时也非常注重 AR 和 VR 方面的应用。

　　不过，GPU IP 并非 Arm 的强项，只是在被业界调侃为“买 CPU 送 GPU”的方式下，Mali GPU 被广泛采用。擅长 GPU IP 的 Imagination 更值得关注，本周二，Imagination 宣布推出有史以来性能最强大的 GPU IP，也是其第十代 PowerVR 图形处理器架构 IMG A 系列（IMG A-Series）。

　　根据官方的说法，IMG A 系列在每一个维度上都提供了显著的改进，在相同的时钟和半导体工艺上，与当前正在出货的 PowerVR 设备相比，性能提高了 2.5 倍，机器学习处理速度提高了 8 倍，且功耗降低了 60％。

Imagination Technologies 产品管理资深总监 Kristof Beets

　　Imagination 新款 GPU 的参数除了有图像处理性能，还给出了 AI 性能。一款 GPU 为何在提升图像处理性能的同时还要强调 AI 性能？Imagination Technologies 产品管理资深总监 Kristof Beets 接受雷锋网专访时表示，图形的处理背后也有 AI，比如人脸解锁，表面上看是一个图形图像的动态处理过程，但也需要有 AI 的识别和处理才能完成。

　　“图形处理和 AI 处理更像是一个多任务的并行处理计算方式。我们在 GPU 上加入神经网络加速器的功能，能够为那些没有预算购买神经网络引擎的客户提供了一个选择。” Kristof 表示。

　　“不过，目前 GPU 的首要任务还是图形处理，接下来才是其它的通用处理。但这种优先级是否会发生变化，还是要看市场的需求。”

　　为了更好地满足图形处理和 AI 的需求，Imagination 全新 GPU 采用了 HyperLane 技术，Priority HyperLanes 技术可提供动态拆分；例如，在执行一项 AI 任务时可以优先处理图形需求，为其提供充足的计算资源，并用剩余的计算资源处理 AI 任务。HyperLane 技术还可以隔离受保护的内容以进行权限管理。据悉，所有 IMG A 系列 GPU 可支持多达八个 HyperLanes。

　　HyperLane 还支持一个称为 AI Synergy 的新功能，通过 AI Synergy，GPU 在可以提供图形处理功能的同时，使用其备用资源来支持可编程 AI 以及固定功能，即 Imagination 神经网络加速器。

　　另外，为了实现更高和更稳定的游戏性能，IMG A 系列采用了 TBDR 和 DVFS 技术。Kristof 介绍，基于分块延迟渲染（TBDR）技术，IMG A 系列的 PowerVR 架构 GPU 只需绘制屏幕上可见的内容，使它具有带宽和功耗优势。使用主动动态电压与频率调节（DVFS）以及时限调度算法（Deadline Scheduling algorithms）的先进功耗控制技术，可提供超低响应延迟的快速功耗控制。如果 GPU 的某些部分没有得到充分利用或没用于处理工作，它们就会被立即降频甚至进入睡眠状态，以确保最佳的功耗效率。

　　显然，手游市场规模的增长潜力影响了从手机终端到芯片再到 GPU IP 的设计，但除了图像计算性能的提升，AI 性能的提升也成为了亮点，这其中除了因为 AI 正被越来越多地应用之外，利用 GPU 的并行计算能力进行图像处理的同时满足 AI 的需求也可以最大化 GPU 的价值。

　　这也就意味着，移动 GPU 在满足手机市场的同时，也可以应用于自动驾驶、AIoT 等市场，并且，这可能成为移动 GPU 新的增长点。

　　即将支持光线追踪

　　GPU 的图像计算和 AI 性能的提升依旧是对已有性能和技术的改进，但市场更需要一些新的技术。去年 8 月，英伟达推出新一代 GPU 架构——Turing（图灵），并且推出了全球首批支持即时光线追踪（Real Time Ray Tracing）的 GPU。

　　Turing 架构以及支持光线追踪 GPU 的推出立即引发了巨大的关注，一时间，在广告、电影、建筑等行业已经广泛应用的光线追踪技术走入了公众视野。

　　如今，光线追踪也将在移动 GPU 上实现。Imagination PowerVR 产品执行副总裁 Steve Evans 发布 IMG A 系列时透露，Imagination 正在研发支持光线追踪技术的移动 GPU 架构，将会在未来几年内推向市场。

　　Kristof 接受采访时表示：“我们在 5 年前就推出过光线追踪的技术。不过我们发现推出一项新技术是相对容易的，但生态的建设非常困难。也就是说，要说服客户使用新的产品和技术需要投入非常大量的资源。”

　　“要说服客户接受新技术建立生态很重要的就是成本问题，比如光线追踪技术要达到或接近真实效果需要很高的成本投入，所以在效果和成本之间也需要达到一个平衡。” Kristof 进一步表示。

　　那 Imagination 和英伟达的支持光线追踪的 GPU 有何不同？Kristof 表示：“两者的功能和基本概念是一样的，细节包括算法和实施上有所不同。我们支持光线追踪的 GPU 更强调效能和功耗。”

　　雷锋网了解到，Imagination 的光线追踪 GPU IP 不会大幅增加成本。

　　那么，在英伟达高性能光线追踪 GPU 的推动下，市场对于光线追踪 GPU 的接受程度正在增加，等到 Imagination 推出高效能的光线追踪 GPU IP 之时，可能也是 GPU 迎来光线追踪时代的开始。

　　移动 GPU 市场将变

　　每次技术和产品的变革都伴随着行业的变革，移动 GPU 市场如今发生的变化，非常有利于 Imagination 赢得更大的市场。两年前，苹果突然宣布，将在 15 个月到 2 年内停止使用该公司的 GPU 设计，转而采用自己设计的产品。失去当时占其营收来源超过 50% 的 Imagination 最终不得不选择将自己出售。最终，中国私募投资基金凯桥（Canyon Bridge）在 2017 年斥资 5.5 亿英镑（约合 49 亿元人民币）收购了 Imagination。

　　两年后，Imagination 带来了十分具有竞争力的 GPU IP。Imagination 发布 IMG A 时和市场主流的 GPU 做了一个对比，以高通为基准，实现相同性的能 Arm 需要 184% 的芯片面积，这意味着功耗更大，用 IMG A 系列 GPU 如果要达到与高通 GPU 相同的性能，面积要小一半左右。如果是同样的芯片面积，则可以实现比高通 GPU 高 175% 的性能。不仅如此，Imagination 还计划以每年 30% 的性能提升持续推出B、C、D系列的 GPU。

　　另外，Imagination 还面向不同的市场推出了 AXE、AXM、AXT 的产品，分别面向高性能移动设备和汽车应用、中端移动设备以及入门级移动设备和物联网。

　　Imagination 公司副总裁/中国区总经理刘国军表示：“就收入来讲，Imagination 是全球第三大 IP 厂商但就影响力而言，我们是全球排名第二的厂商。”

　　随着 5G、AI、自动驾驶技术发展，特别是 5G 商用将带来的 AR、VR、云游戏等应用，移动 GPU 的 AI 性能也将变得更加重要。另外，随着光线追踪技术正在被越来越广泛的接受，率先宣布将会推出支持光线追踪移动 GPU 的 Imagination 能否向前更进一步？