GPU爆炸式發(fā)展的背后及未來(lái)挑戰趨勢

　　2006年，圖形處理器(GPU)總出貨量約為1.35億。同年，ARM 完成對挪威Falanx公司的收購，并獲得其移動(dòng)GPU技術(shù)，完成對原有IP技術(shù)的擴展。10年后的今天，GPU已經(jīng)廣泛用于智能手機、DTV和平板電腦等多種設備，短短10年時(shí)間ARM Mali技術(shù)也已成為全球出貨量第一的GPU，僅2015年總計出貨量就超過(guò)7.5億。

API與制程節點(diǎn)開(kāi)發(fā)

　　對圖形領(lǐng)域而言，2015年振奮人心全新應用程序接口(API)的出現允許開(kāi)發(fā)商將基礎圖形硬件發(fā)揮至技術(shù)允許的最高水平。

　　同年，Khronos團隊的工作引發(fā)有關(guān)Vulkan的熱烈討論。Vulkan是新一代OpenGL API，為新一代圖形API設計量身打造，足以滿(mǎn)足全部需求，并徹底終結了OpenGL ES和OpenGL作為API各自為政的時(shí)代。

　　Vulkan于2016年2月正式發(fā)布，是首款按照開(kāi)發(fā)商需求設計的Khronos API。它由游戲引擎開(kāi)發(fā)商、芯片提供商、IP公司和操作系統供應商共同開(kāi)發(fā)，以期打造兼顧各相關(guān)方需求的最佳解決方案。Vulkan API應運而生，采用全新異構系統，不僅內置多線(xiàn)程支持，而且可以最大程度發(fā)揮硬件一致性的優(yōu)勢。Vulkan屬于底層API，允許開(kāi)發(fā)商自主決定硬件交互方式，并通過(guò)底層接入以找到最佳平衡點(diǎn)。

　　上述特性對虛擬現實(shí)(VR)等新興應用尤為重要，幫助開(kāi)放商減少延遲，優(yōu)化圖形流水線(xiàn)。

　　對聚焦GPU運算應用的開(kāi)發(fā)商來(lái)說(shuō)，OpenCL 2的發(fā)布是一個(gè)重要節點(diǎn)，多項全新理念進(jìn)一步簡(jiǎn)化了高性能GPGPU(General Purpose GPU，即通用計算圖形處理器)應用的開(kāi)發(fā)流程。虛擬存儲共享概念的提出可以說(shuō)最為關(guān)鍵，允許CPU和GPU之間的虛擬地址共享。與硬件一致性結合后，細粒度緩沖器共享成為現實(shí)。該技術(shù)簡(jiǎn)化了實(shí)現CPU和GPU工作負載共享所需的開(kāi)發(fā)工作，因為兩者間的數據雙向傳輸不再是必要條件。

　　半導體制造工藝也經(jīng)歷了巨大革新。2014年，臺積電與三星推出20納米工藝節點(diǎn)，標志著(zhù)平面工藝節點(diǎn)的10年歷史終于落幕;2015年，三星在Exynos 7420上使用全新14納米FinFet技術(shù)，臺積電緊隨其后，推出16納米FinFet工藝，并搭載于蘋(píng)果A9芯片;2016年，工藝節點(diǎn)獲得進(jìn)一步完善，成本降低，產(chǎn)量增加;步入2017年，10納米工藝節點(diǎn)也不再是夢(mèng)想。

　　從GPU的角度看，工藝節點(diǎn)技術(shù)的進(jìn)步對整個(gè)行業(yè)意義非凡。首先，工藝節點(diǎn)越先進(jìn)，單位區域(或功耗)的晶體管密度就越大。GPU屬于并行處理器，只要架構擴展，性能就會(huì )隨之提升。然而，先進(jìn)工藝節點(diǎn)對布線(xiàn)的擴展效果不如晶體管。恰恰相反，Ergo 工藝制程從28納米優(yōu)化至14納米，SoC設計師得以實(shí)現更高的晶體管密度，但卻不如布線(xiàn)的擴展。這意味著(zhù)，如果設計10納米GPU時(shí)采用與28納米同樣的方法，設計結果必然會(huì )打折扣，因為晶體管和布線(xiàn)各有權衡，不盡相同。設計師常常需要妥協(xié)，使IP適應某個(gè)節點(diǎn)，這種權衡隨著(zhù)先進(jìn)工藝節點(diǎn)數量的增加變得愈加重要。

　　深入探討高端移動(dòng)GPU的性能如何繼續提高之前，我們需要特別指出GPU性能從2011年到2016年提升了20倍這個(gè)有趣的事實(shí)。由于手機同時(shí)變得更加輕薄，因此該數字并不能代表技術(shù)進(jìn)步的全景，但現代移動(dòng)設備開(kāi)發(fā)商對性能提升的渴求已經(jīng)可見(jiàn)一斑。

　　移動(dòng)設備開(kāi)發(fā)商不斷完善現有用例，開(kāi)發(fā)顛覆性的新用例，以保持創(chuàng )新節奏，并從新一輪的性能升級中獲益。

　豐富的案例開(kāi)發(fā)，這些應用你體驗過(guò)嗎?

　　隨著(zhù)移動(dòng)平臺的發(fā)展，各類(lèi)傳感器層出不窮。憑借飛速提升的系統性能、不斷改善的屏幕精度和日益增加的電池壽命，移動(dòng)設備開(kāi)發(fā)商已經(jīng)坐擁創(chuàng )新的最佳平臺。

　　增強現實(shí)(AR)可以充分挖掘并展現智能手機的強勁性能。AR的原理并不復雜，利用高級攝像頭捕捉圖像，經(jīng)過(guò)CPU、GPU、ISP、VPU和DPU，最后顯示在高清屏幕上。這個(gè)過(guò)程中，增強內容將覆蓋實(shí)際影像。根據應用目標的不同，物體識別、方位補償(使用電子羅盤(pán)和/或加速度計)或高級渲染技術(shù)都將各有用武之地。

　　一些人氣移動(dòng)應用讓AR不再遠在天邊，并一舉進(jìn)軍大眾市場(chǎng)，比如將濾鏡疊加在用戶(hù)臉部，然后生成圖片和視頻用于分享的Snapchat;以及讓用戶(hù)在真實(shí)地點(diǎn)看到動(dòng)畫(huà)人物的Pokemon Go。無(wú)獨有偶，還有一些應用采取了更高級的AR技術(shù)，比如將攝像頭捕捉與3D物體相結合。這些創(chuàng )新用例層出不窮，并可以用于包括零售和高端游戲在內的各行各業(yè)。舉個(gè)例子，用戶(hù)可以使用移動(dòng)設備查看家具是否與硬裝搭配，家具巨頭宜家就打算在2017年發(fā)布AR產(chǎn)品目錄。

　　虛擬現實(shí)已經(jīng)不算新理念了，但其核心技術(shù)卻仍在經(jīng)歷巨變。硬件設備已經(jīng)萬(wàn)事俱備，擁有足夠強大的性能運行炫目的VR內容，一個(gè)適合創(chuàng )新的大規模開(kāi)發(fā)商生態(tài)系統也已經(jīng)形成。這一點(diǎn)在移動(dòng)平臺的體現格外深刻，因為人人都能用，且其移動(dòng)性自身便是重要優(yōu)勢。與臺式機和游戲機不同，移動(dòng)設備無(wú)拘無(wú)束。當然，實(shí)現這一點(diǎn)需要在設備上安裝各類(lèi)傳感器。實(shí)際上，VR領(lǐng)域的許多重大突破都是在移動(dòng)設備上實(shí)現的——利用VR技術(shù)增強用戶(hù)體驗的云霄飛車(chē)就是高性能移動(dòng)應用的一個(gè)典型案例。

　　盡管推陳出新的顛覆式應用不斷刷新智能手機的使用方式，但我們經(jīng)常會(huì )忘記一點(diǎn)現實(shí)，最普遍的移動(dòng)應用情景依然是網(wǎng)頁(yè)瀏覽和游戲。近幾年，屏幕分辨率和刷新率都得到提升，用戶(hù)界面(UI)的視覺(jué)效果和使用體驗也越來(lái)越自然。這些優(yōu)化對GPU提出了更高要求，成為成本導向型市場(chǎng)不小的挑戰。