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GPU爆炸式发展的背后及未来挑战趋势

导读: 2006年,图形处理器总出货量约为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ARM Mali技术也已成为全球出货量第一的GPU……

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ARM Mali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。

GPU爆炸式发展的背后及未来挑战趋势

GPU爆炸式发展背后的深层原因是什么?基于GPU技术发展有哪些最新的案例应用呢?智能手机设计的挑战与趋势又是什么?且听ARM技术专家娓娓道来。

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。

GPU爆炸式发展的背后及未来挑战趋势

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。

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