移動(dòng)處理器發(fā)展新方向，整合更多的GPU將成為主流？

　　高階行動(dòng)裝置對多媒體等視覺(jué)體驗的要求愈來(lái)愈高，促使行動(dòng)處理器開(kāi)發(fā)商大舉整合更多GPU核心，期借助平行運算能力，分散CPU運算負擔，進(jìn)而強化繪圖與視覺(jué)表現。

　　在全球消費性市場(chǎng)中，智慧手機與平板裝置無(wú)疑是最熱門(mén)的產(chǎn)品，根據顧能（Gartner）所發(fā)布的最新預測指出，2013年手機出貨量將超過(guò)十八億支，較2012年成長(cháng)3.7%；平板的出貨量將上看一億八千四百萬(wàn)臺，成長(cháng)42.7%，呈現高速增長(cháng)態(tài)勢。

　　尤其值得關(guān)注的是高階行動(dòng)裝置產(chǎn)品更不斷推陳出新，給用戶(hù)的視覺(jué)性應用體驗已接近個(gè)人電腦（PC）、電視等級，即可提供豐富、流暢的二維（2D）或三維（3D）使用者繪圖介面（GUI）、視網(wǎng)膜（Retina）級的高畫(huà)質(zhì)、快速的網(wǎng)頁(yè)呈現及攝影功能，以及更逼真的3D游戲等。

　　在一臺小小的行動(dòng)裝置上要達到這些使用體驗，對于開(kāi)發(fā)者而言，設計門(mén)檻已愈來(lái)愈高。以3D游戲為例，要讓行動(dòng)裝置達到與PC、電視同級的游戲體驗，須提升的視覺(jué)效果包括實(shí)體表現、動(dòng)態(tài)照明、高動(dòng)態(tài)范圍材質(zhì)（HDR Texture）、先進(jìn)陰影效果、幾何細節、次表面散射（Subsurface Scattering），以及動(dòng)態(tài)反射（Dynamic Reflection）等。

　　所幸，最關(guān)鍵的行動(dòng)處理器架構不斷升級，除出現整合中央處理器（CPU）和繪圖處理器（GPU）的異質(zhì)多核心架構外，GPU的數量及處理能力也大幅提升，成為實(shí)現流暢、長(cháng)時(shí)效視覺(jué)體驗的最大功臣。以下將剖析先進(jìn)GPU在架構上的變化與最新進(jìn)展。

　　實(shí)現更酷炫繪圖功能　異質(zhì)多核心SoC勢不可當

　　愈來(lái)愈多中高階行動(dòng)裝置配置四核心CPU的行動(dòng)處理器，以輝達（NVIDIA）的Tegra系列來(lái)說(shuō)，自Tegra 3開(kāi)始，就已進(jìn)入4+1的多核心架構，即四顆效能核心加一顆省電核心，而最新一代的Tegra 4，同樣采用4+1的多核心架構，但處理器核心從前代的Cortex-A9提升為Cortex-A15；至于Tegra 4i則仍采用Cortex-A9（r4）CPU。

　　雖然CPU的數目愈多，意味著(zhù)處理效能也跟著(zhù)提升，但因CPU的序列處理特性，愈多核心意味著(zhù)應用程式撰寫(xiě)亦愈困難；相較之下，由于GPU具備平行處理特性，能以近線(xiàn)性化來(lái)擴充效能，因此增加GPU數目所提升的效益，會(huì )比CPU顯著(zhù)許多。

　　在此情況下，整合CPU與GPU的異質(zhì)多核心架構，就成了必然之勢。而當GPU核心更多，也讓開(kāi)發(fā)者有更大空間和彈性去做出更酷的繪圖效果、更細膩的細節表現及更生動(dòng)的情境塑造，讓行動(dòng)視覺(jué)與游戲的體驗大幅提升。

　　Tegra 4的GPU子系統就是很好的例子，它從前代的十二顆GeForce GPU核心，一舉提高到七十二顆，六倍的核心數也帶來(lái)六倍于Tegra 3的繪圖效能。Tegra 4及Tegra 3在GPU效能表現上的差異，請參考表1。在系統配置上，其架構中有所謂的頂點(diǎn)著(zhù)色器（Vertex Shader）和畫(huà)素著(zhù)色器（Pixel Shader）；前者讓工程師可自訂場(chǎng)景（Scene）中頂點(diǎn)的轉換過(guò)程，后者則是用來(lái)控制畫(huà)面上每個(gè)畫(huà)素的著(zhù)色計算。

　　更進(jìn)一步來(lái)看，Tegra 4的作法是將七十二顆GeForce核心拆分為二十四顆Vertex Shader與四十八顆Pixel Shader。其中每四顆Vertex Shader組成一組頂點(diǎn)處理引擎（Vertex Processing Engine， VPE），所以有六顆VPE，分別具有16KB、96-entry快取記憶體，能夠有效降低向外部晶片存取資料的需求。在相同時(shí)脈下，新的GeForce核心可以帶來(lái)1.5倍于Tegra 3的效能，而前后代Vertex Shader數量相差六倍，相乘之下差距達九倍之多。 此外，Tegar 4總共具有四組畫(huà)素管線(xiàn)（Pixel Fragment Shader Pipeline），每組畫(huà)素管線(xiàn)可細分為三組算術(shù)邏輯單元（ALU），每個(gè)ALU則是由四顆GeForce核心（即Pixel Shader）組成。在實(shí)際運作時(shí)，會(huì )以ALU做為最小層級的單元，并稱(chēng)為多功能處理單元（Multi-Function Unit， MFU），因此Tegar 4總共具有十二組MFU，MFU可執行函數、三角函數、對數、倒數、平方根及MOV等指令（組合語(yǔ)言中的復制）（圖1、2）。

　　圖1 Tegra4的邏輯性繪圖處理管線(xiàn)流程圖

　　圖2 Tegra 4的GPU架構方塊圖　　降低多核心SoC耗電量　架構設計擔當重任

　　對于行動(dòng)裝置而言，電池的使用壽命與效能/功能表現占有同樣重要的地位。同樣是四核心行動(dòng)晶片，因個(gè)別架構不同，往往也有不同的效能與功耗表現。以Tegra 4來(lái)說(shuō)，除采用安謀國際（ARM）最先進(jìn)的CPU核心外，透過(guò)可變對稱(chēng)式多重處理（vSMP）架構，可依照使用需求進(jìn)行調配，讓四顆效能核心發(fā)揮最大處理能力，并可視工作量，分別自動(dòng)啟用及停用各顆核心，以大幅節省電力。

　　為了提升續航力，Tegra 4延續Tegra 3的省電概念，在晶片中加入第五顆處理器核心，不過(guò)名稱(chēng)從協(xié)同核心（Companion Core）改為省電核心（Battery Saver Core）。當裝置處于背景處理郵件、社交軟體同步，或是播放影片、音樂(lè )等低效能需求情境時(shí)，系統將關(guān)閉效能核心，并使用省電核心負責執行程式。

　　就晶片設計觀(guān)之，多核心處理器必定會(huì )面臨記憶體頻寬和整體系統功率的重大瓶頸，為了因應此議題，Tegra 4提出雙通道（2x32位元）的記憶體子系統作法。此外，為減少對晶片外記憶體的存取使用需求，Tegra 4的GPU架構中規畫(huà)頂點(diǎn)、畫(huà)素、材質(zhì)（Texture）專(zhuān)用的快取記憶體，讓運算任務(wù)盡量在晶片內部完成，以提升處理效益和降低功耗。

　　另一個(gè)降低系統單晶片（SoC）功耗的重要策略，就是采用先進(jìn)的電源管理技術(shù)。以Tegra 4來(lái)說(shuō)，即采用多層級時(shí)脈閘控（Multiple Levels of Clock Gating）、顯示要求群組（Display Request Groupig）、動(dòng)態(tài)電壓與頻率調節（DVFS）等多種電源管理技術(shù)，針對不同使用情境將電源需求降至最低。

　　運算型攝影架構助力　行動(dòng)裝置影像效能升級

　　再從應用端來(lái)看GPU架構的發(fā)展，今日的使用者非常仰賴(lài)行動(dòng)裝置來(lái)進(jìn)行照相和和錄影功能，且希望達到專(zhuān)業(yè)級的效果。不過(guò)，相較于相機，手機或平板裝置在先天性上就難以配置太大的鏡頭，這時(shí)想得到高品質(zhì)的影像，就得靠更先進(jìn)的影像處理技術(shù)，甚至是運用電腦演算法來(lái)創(chuàng )造影像。