最近Imagination Technologies發(fā)布新一代IMG DXT架構(gòu)GPU IP——這次發(fā)布的DXT產(chǎn)品主要是面向手機(jī)設(shè)備的。如果你對Imagination的GPU IP熟的話，應(yīng)該知道2019年發(fā)布IMG A系列架構(gòu)，屬于這家公司產(chǎn)品和技術(shù)層面的一個分水嶺，去年的PowerVR架構(gòu)30周年回顧文章也談到過。AXT(A系列)的基本理念主要是超寬ALU設(shè)計，Imagination此前強(qiáng)調(diào)它在PPAB(power, performance, area, bandwidth)方面的貢獻(xiàn);而次年的BXT系列，則更多地開始采用去中心化的多核、模塊化方案，通過彈性縮放達(dá)成了我們現(xiàn)在所說的覆蓋從手機(jī)到數(shù)據(jù)中心的GPU設(shè)計，并且也開始支持chiplet的設(shè)計;CXT系列則帶來了PowerVR Photon架構(gòu)，也就是光追加速，在移動市場上正式提出硬件級光追加速方案。D系列的發(fā)布基本也是符合預(yù)期的。其實2019年Imagination的GPU計劃表上，D系列的發(fā)布時間是2022年——選在今年1月發(fā)布也差不多趕在了時間線上。最新發(fā)布的IMG DXT，除了性能提升外，從大方向來看應(yīng)該是進(jìn)一步提升可擴(kuò)展性、彈性的一代架構(gòu)，尤其表現(xiàn)在光追方面;而且通過某些特性(如FSR)達(dá)成了效率的進(jìn)一步提升。本文重點談?wù)凞系列引入的一些新特性，和部分改進(jìn)。有關(guān)Imagination GPU架構(gòu)的常規(guī)構(gòu)成及組成元素，這里不再多做著墨，比如說USC(Unified Shading Cluster)模塊、TPU(Texture Processing Unit)單元、Raster/Geometry模塊這些固定功能單元，和cache、固件處理器(firmware processor)。總的來說，相比于C系列，這次的DXT一個核心單元內(nèi)的ALU與TPU性能最多可以提升50%;更重要的是，額外搭配的光追模塊(RAC，Ray Acceleration Cluster)在規(guī)模和位置方面有了更大的彈性——這一點后文也會詳細(xì)提到。按照彈性擴(kuò)展方案，Imagination列舉了三種配置示例，如上圖所示。在Imagination的定位中，這三種配置分別面向主流機(jī)、高端機(jī)、旗艦機(jī)。每種配置有不同的FP32算力和紋理填充率，以及可選的光線追蹤加速硬件。(如DXT 8-256，8表示紋理填充率 8 GTexels/s，256表示FP32算力256 GFLOPS)基礎(chǔ)款DXT-8-256據(jù)說達(dá)成了超過20%的性能密度提升，也就是單位面積性能表現(xiàn)更好。DXT的彈性擴(kuò)展能力改進(jìn)，主要體現(xiàn)在：SPU(Scalable Processing Unit)作為規(guī)?；瘮U(kuò)展的基本單元，現(xiàn)在可以用上更多的ALU、TPU。所以這代產(chǎn)品能夠用更高密度的SPU設(shè)計，如上圖，可包含3個USC/TPU模塊，加上其他共享單元。比如說上一代CXT-48-1536，是三個SPU的設(shè)計，那么每個SPU搭配一個RAC(光追加速集群)，也就構(gòu)成了CXTP-48-1536 RT3。而到了這一代，除了三個SPU這樣的設(shè)計(三個2x 8-256 SPU)，現(xiàn)在還可以搭配兩個SPU——但是每個SPU是3個USC/TPU單元(即兩個3x 8-256 SPU)。則基于每個SPU搭配1個RAC，那么就可以組合為DXT-48-1536 RT2。而且還能用一半的RAC，做成DXT-48-1356-0.5RT2。也就是說達(dá)成此前相同的浮點和紋理性能，現(xiàn)在可以搭配RT1、RT2、RT3不同的配置方案，最大規(guī)模單個核心可做RT4(單核最多4個SPU)。另外單個SPU規(guī)模做大，實則會比前代達(dá)成相同算力所需的面積更小，也就提升了性能密度。與此同時最高性能配置的算力也就提升了。雖然發(fā)布會上，Imagination只提到了DXT-72-2304 RT3，但DXT技術(shù)白皮書上說單核能夠從過去的CXT-64-2048，做到這一代的DXT-96-3072，性能也就提升了50%。具體的不同配置方案如下：有關(guān)PowerVR Photon架構(gòu)的光追實現(xiàn)，我們此前也寫過不止一篇文章了，包括Imagination定義的光追等級。移動設(shè)備要用上光追GPU是手機(jī)AP SoC廠商的共識。Imagination公司技術(shù)產(chǎn)品管理高級總監(jiān)Stephen Barton在采訪中說：“我們把RAC單獨作為一個IP剝離出來，意味著可以不影響GPU本身的性能，光線追蹤可以獨立運行，這對移動端的應(yīng)用很重要。移動端剛開始做光線追蹤技術(shù)，一定會從混合模式開始。剛開始是大量光線運算和少量光照，隨著光線追蹤技術(shù)越來越成熟，會走向更完整的光線追蹤。我們的架構(gòu)特別適合這樣的發(fā)展模式，每個階段都可以為客戶提供需要的光線追蹤性能。”“我們的想法是，DXT可以更好地讓具有硬件級別、開銷真正能夠在移動端被接受的光線追蹤，鋪開到更多的設(shè)備。”Imagination公司首席營銷官David Harold說，“只有這樣，那些針對光線追蹤進(jìn)行內(nèi)容開發(fā)的開發(fā)者才會愿意做這方面的開發(fā)工作?！?/span>這說的應(yīng)該是RAC的靈活性好——我們認(rèn)為，的確在移動領(lǐng)域都還沒有像樣的光追游戲的情況下，為光追加速耗費的晶體管會成為所謂的dark silicon。這代架構(gòu)上，Imagination強(qiáng)調(diào)“可擴(kuò)展的光線追蹤”，芯片設(shè)計企業(yè)可選配的RAC單元規(guī)模有了更大的選擇范圍，包括半個RAC(216 MRay/s，8 GBoxTests/s)。David說，“哪怕先用0.5個RAC單元，也可以把更多光追能力盡可能地帶給更多主流機(jī)型，增加市場覆蓋率，讓更多開發(fā)者加入進(jìn)來，讓這項技術(shù)成為真正意義上的主流技術(shù)。”Imagination在DXT技術(shù)白皮書中說，以前架構(gòu)的配置方案是2個ALU模塊共享RAC，而這一代可以由更多的ALU模塊共享一個RAC;而且RAC可以遷往GPU的不同層級——前文提及SPU模塊的靈活設(shè)計，本身就在影響RAC的布局。另外Stephen還說：“光線追蹤等級L1和L2，是目前市面上大家能夠看到的絕大多數(shù)光線追蹤技術(shù)達(dá)到的等級。而我們提供的L4?！?/span>L4等級的光追技術(shù)除了兩個重要的硬件加速支持，還需要考慮到移動平臺的功耗敏感性。所以L4是在L3的BVH遍歷的基礎(chǔ)上，將具備相干性的光線做分類和聚集(coherency sorting)，比如對某些材質(zhì)反射的同方向光線進(jìn)行sorting，達(dá)成更高的數(shù)據(jù)復(fù)用，提升并行ALU管線利用率。有關(guān)RAC的內(nèi)部構(gòu)成，我們此前也撰文談過了，這里不再細(xì)數(shù)。其中達(dá)成L4的關(guān)鍵是其中的PCG(Packet Coherency Gather)(另外“再加上RS、RTS等”)，就是將相干光線聚集起來做計算，“用相同的指令完成并行計算，節(jié)省了大量的功耗?！盜magination中國區(qū)技術(shù)總監(jiān)艾克說。伴隨這次DXT架構(gòu)更新而來的另一項重要特性更新是FSR(Fragment Shading Rate)。這個FSR不是AMD FSR，而類似于VRS可變速率著色。關(guān)注游戲和圖形技術(shù)發(fā)展的同學(xué)對此應(yīng)該不會陌生。簡單來說，是對畫面中不重要的區(qū)域(比如畫面的背景部分)，或者不需要高精度渲染的部分，不做原生分辨率級別的渲染，也就能起到降低功耗和負(fù)載的效果。比如競速游戲，在賽車高速行駛的時候，賽車周圍的對象實際上只需要低畫質(zhì)繪制即可，因為這些對象后續(xù)會被運動效果做模糊處理。覆蓋兩個或更多像素，來降低shader執(zhí)行率，也就相當(dāng)于做了更少的工作、需求更低的帶寬和更少的功耗，帶來幀率提升的同時，對游戲體驗又不會有太大的影響。DXT支持不同比例的多像素shader執(zhí)行復(fù)用。不同比例也就對應(yīng)了不同的畫質(zhì)。據(jù)說如果以4x4陣列像素的shader執(zhí)行復(fù)用，則達(dá)成大約“93%左右的fragment運算能力的節(jié)省”。Imagination表示，F(xiàn)SR能夠和光追做很好的搭配。感覺和桌面GPU市場參與者說超分和光追做搭配是差不多的意思，大方向都是降低原生畫面的渲染精度，將更多資源應(yīng)用于光線追蹤，則能有效提升最終呈現(xiàn)的畫面幀率。不過這里還有個關(guān)鍵，F(xiàn)SR/VRS在整個流程里所處的位置，還是比DLSS這類超分技術(shù)靠前許多的。
應(yīng)用FSR以后，也就意味著只需要更少的shader調(diào)用和光線發(fā)射，需要處理的光線也就更少，更大一片區(qū)域的像素結(jié)果可被復(fù)用。換句話說，就是shader處理和光線數(shù)減少了，則顯著降低了整體開銷?！皼]有開啟FSR的話，可能需要每幀6.9MRays的算力;但如果配上FSR計算，哪些區(qū)域運算一次，哪些區(qū)域運算兩次，哪些區(qū)域需要細(xì)節(jié)表現(xiàn)的，這樣一幀畫面只需要3.2MRays計算能力?！卑苏f，“配合可擴(kuò)展的RAC，用更小的RAC就能夠?qū)崿F(xiàn)該場景下的游戲光追效果。”IMG DXT新架構(gòu)引入同時的其他特性主要還包括下圖這些。2D Dual-Rate Texturing強(qiáng)調(diào)的是提升TPU后處理效果的性能表現(xiàn)。Imagination說他們觀察到許多游戲會花比較多的時間去執(zhí)行后處理(post-processing)算法，包括實現(xiàn)淺景深、bloom、模糊之類的效果。其中很多負(fù)載的瓶頸在TPU吞吐上。但暴力增加TPU單元的硬件資源是不合理的。基于Imagination發(fā)現(xiàn)的后處理負(fù)載與圖像處理的一些典型特征，開發(fā)團(tuán)隊實施了一種新的TPU模式，在檢測到這些特征以后達(dá)成后處理性能的翻番。具體的細(xì)節(jié)推薦去看DXT技術(shù)白皮書。據(jù)說在特定處理類型中，DXT-48-1536能夠達(dá)成96-1536的效果，每時鐘周期處理雙倍數(shù)量的雙線性過濾紋理采樣，也就達(dá)成了雙倍的執(zhí)行率。實際上，前述DXT架構(gòu)優(yōu)化方案(如光追處理更少的光線)也對后處理效果提出了更高的要求，2D Dual-Rate TPU也就顯得自然而然了。Pipelined Data Masters - 此前解析IMG A系列的文章里就提到過，GPU內(nèi)有個固件處理器(firmware processor)。這個固件處理器負(fù)責(zé)高層級調(diào)度和負(fù)載優(yōu)先級安排，與Data Master固定功能單元一起實現(xiàn)。GPU內(nèi)部有各種各樣的Data Master，什么2D Data Master、3D Data Master、Compute Data Master、Geometry Data Master...這些Data Master負(fù)責(zé)各類型的低層級工作。Imagination在技術(shù)白皮書中說，之前的幾代架構(gòu)用的都是single-tasking單任務(wù)Data Master。也就是說Data Master首先執(zhí)行某個特定工作，如果要改換工作就需要固件處理器來做設(shè)定。那么在固件處理器設(shè)定下一項工作、對寄存器做編程時，就會有個空閑時間;設(shè)定工作本身還需要數(shù)據(jù)訪問和其他同步任務(wù)。在GPU規(guī)模大、SPU數(shù)量多的情況下，這帶來的性能影響就會比較大，尤其在固件處理器規(guī)模不變的情況下。所以這一代新架構(gòu)實現(xiàn)了Data Master的流水線化(pipelining)——在GPU的上一個工作還在處理執(zhí)行的情況下，固件就可以設(shè)定下一個工作。從此前固件設(shè)定工作與渲染任務(wù)的串行化，到現(xiàn)在的并行化，提升了GPU的資源利用率。以前firmware processor工作導(dǎo)致性能損失現(xiàn)在，這部分工作實現(xiàn)了流水線化此外這個RISC-V架構(gòu)的固件處理器本身也有40%的性能提升。白皮書上說，DXT這代轉(zhuǎn)向了基于RISC-V的固件處理器——似乎此前A系列發(fā)布時就有消息提到這部分就是基于RISC-V的。而Imagination現(xiàn)如今異構(gòu)處理器策略中，做基于RISC-V的CPU IP其實也已經(jīng)是眾所周知的了。上述PPT中列出最后一項是ASTC HDR支持——實際上Vulkan API之前就強(qiáng)制ASTC(Adaptive Scalable Texture Compression)LDR紋理了，Imagination也持續(xù)好幾代架構(gòu)做出了支持。而ASTC HDR一直是個可選項。Imagination認(rèn)為，未來幾年HDR會發(fā)展起來，則基于ASTC算法來支持HDR輸入壓縮紋理，也是自然而然的。于是DTX實現(xiàn)了這一類型的壓縮紋理。HDR紋理不用多解釋了，也就是畫面暗部和亮部的光比可以做到很大。至于TBDR、PVRIC圖像壓縮、去中心化的多核架構(gòu)設(shè)計與模塊化擴(kuò)展等等都屬于Imagination的常規(guī)項目了。有興趣的讀者可以去看看我們之前撰寫有關(guān)Imagination GPU IP的技術(shù)文章。最后談?wù)勆鷳B(tài)。生態(tài)問題涉及的應(yīng)該是整個Imagination的IP產(chǎn)品，而不僅限于這次的DXT。DXT架構(gòu)具體變成芯片的未來計劃，Imagination在發(fā)布會上并未提及。不過艾克給出了一些生態(tài)方面的成果：“2021年，我們把光線追蹤技術(shù)應(yīng)用到手機(jī)領(lǐng)域，同時也推廣到O3DE(Open 3D Engine)，讓開源社區(qū)開發(fā)者感受到光線追蹤技術(shù)的演進(jìn)和發(fā)展?！?/span>“我們也和Amazon發(fā)布了帶有光線追蹤效果的演示demo，可展示出全天候的光影變化效果，沉浸感很強(qiáng)。”艾克說，“除此之外，我們也和各大游戲開發(fā)者介紹新功能，新游戲發(fā)布時我們會去參與測試，讓一些功能及時得到應(yīng)用;產(chǎn)品新特性也介紹給他們，在游戲開發(fā)過程里能用起來，建立手機(jī)游戲開發(fā)生態(tài)?！?/span>開發(fā)生態(tài)工具相關(guān)的部分，除了比較基本的對于Vulkan API等提供支持，Stephen提到如光追生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)和儲備方面的工作很早就開始了，“2021年CXT發(fā)布時也有發(fā)布相關(guān)的光線追蹤工具。”包括分析工具，以及SDK開發(fā)包等。David則表示：“我們和包括完美世界、網(wǎng)易、騰訊、Unity，以及OPPO、vivo等在內(nèi)的合作伙伴都有合作。現(xiàn)階段，Imagination要推廣自家GPU IP，尤其是最新幾代架構(gòu)的優(yōu)秀技術(shù)，難點仍然在生態(tài)擴(kuò)展上。期待在新的一年其GPU IP在更多類型的設(shè)備形態(tài)上落地——比如產(chǎn)品之外，DXT架構(gòu)的應(yīng)用范圍應(yīng)該是不僅限于手機(jī)的，比如VR也會是其應(yīng)用方向之一——還有像汽車之上的產(chǎn)品應(yīng)用，能夠持續(xù)帶動Imagination新戰(zhàn)略中四大應(yīng)用領(lǐng)域：Mobile、Consumer、Automotive、Data Center方向的全面開花結(jié)果。EET電子工程專輯
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原文標(biāo)題：手機(jī)GPU光追新解：詳談Imagination剛發(fā)布的DXT架構(gòu)
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