擴(kuò)展無極限　解析全新Imagination B 系列GPU

張平

之前本刊介紹過Imagination的全新A系列GPU，并給予了高度評(píng)價(jià)。現(xiàn)在，跟隨著Imagination的發(fā)布時(shí)序，全新的B系列GPU也已經(jīng)準(zhǔn)備完畢。相比全面革新的A系列GPU，B系列GPU又帶來了那些激動(dòng)人心的特性呢？

滿足市場需求通過多GPU擴(kuò)展提高性能

Imagination目前在移動(dòng)GPU市場中的艱難現(xiàn)狀幾乎是眾所周知的事情。作為ARM之外的唯一移動(dòng)GPU提供方，Imagination的客戶數(shù)量在持續(xù)下降，主要原因就是ARM也可以提供具有競爭力的CPU和GPU知識(shí)產(chǎn)權(quán)，且需要高性能移動(dòng)GPU的客戶數(shù)量其實(shí)并不多。諸如高通等廠商其內(nèi)部的Aderno GPU在性能和功能設(shè)計(jì)上也居于領(lǐng)導(dǎo)地位，并且對(duì)其他供應(yīng)商施加了巨大壓力，這導(dǎo)致其他供應(yīng)商在很多情況下會(huì)直接選擇ARM的GPU產(chǎn)品，除了聯(lián)發(fā)科之外。聯(lián)發(fā)科是歷年來唯一一個(gè)在SoC產(chǎn)品中經(jīng)常使用Imagination GPU產(chǎn)品的企業(yè)，但是最近的Helio又改回了ARM Mali GPU，并且短期內(nèi)再度使用Imagination GPU的可能性應(yīng)該也不大。

隨著蘋果使用Imagination的架構(gòu)許可來設(shè)計(jì)定制GPU，三星和AMD合作計(jì)劃在Exynos中引入AMD的技術(shù)，華為海思在設(shè)計(jì)自主GPU架構(gòu)以及前景不夠確定的情況下，Imagination面臨需求不足的問題。

這樣一來，Imagination需要將發(fā)展空間聚焦在移動(dòng)之外的市場，比如高性能計(jì)算、汽車市場等。但是從傳統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)移至高性能GPU是非常困難的，因?yàn)檫@將直接影響整個(gè)GPU架構(gòu)的平衡和設(shè)計(jì)，畢竟移動(dòng)GPU面向的是低功耗市場。這實(shí)際上是絕對(duì)性能、可擴(kuò)展性和功耗效率之間的平衡問題，畢竟高性能GPU的能耗比肯定不會(huì)高，但是低功耗、高效率的移動(dòng)GPU無法擴(kuò)展性能。

因此在B系列GPU上，Imagination引入了一種新方式來解決這個(gè)問題，那就是使用多GPU。在看到多GPU的時(shí)候，大家首先想到的是臺(tái)式機(jī)的多GPU并聯(lián)技術(shù)，比如英偉達(dá)的SLI或者AMD的CrossFire，但是由于現(xiàn)代游戲API和多GPU技術(shù)存在一些沖突，因此這個(gè)技術(shù)已逐漸被廠商拋棄。

Imagination在多GPU的處理上和過去完全不同，其主要區(qū)別在于GPU處理工作負(fù)載的方式。B系列的工作模式將從傳統(tǒng)的“推送”模式轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌摹袄瓌?dòng)”模式，其中前者表示GPU驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒐ぷ魍扑椭罣PU進(jìn)行渲染，后者則表示GPU將拉入工作負(fù)載并進(jìn)行處理，這是GPU在數(shù)據(jù)饋送工作方式的根本性轉(zhuǎn)變，Imagination稱之為“分散式”設(shè)計(jì)。

根據(jù)Imagination的介紹，在一組GPU中，其中一個(gè)充當(dāng)“主”GPU，帶有一個(gè)額外的控制固件處理器，該處理器將一個(gè)工作負(fù)載（比如一個(gè)渲染幀）劃分為不同的工作塊，然后其他“從”GPU可以從這些工作塊中拉出不同的工作以進(jìn)行處理。在這里，Imagination使用了“tile-based”用于形容這個(gè)工作方式，這里的“tile”實(shí)際上就是它的本意，指不同的工作區(qū)塊，也就是說GPU基于區(qū)塊的渲染方法是這個(gè)全新機(jī)制的核心，這里需要注意的是，區(qū)別之前AFR備用幀渲染或者SFR分割幀渲染。同樣的，由于使用區(qū)塊渲染的單個(gè)GPU可以針對(duì)給定的幀進(jìn)行不同尺寸的區(qū)塊渲染處理，那么相應(yīng)的B系列GPU也可以針對(duì)單一幀針在一組GPU中進(jìn)行不同尺寸大小的分配，這將有助于提高整體的渲染效率。

最重要的是，Imagination推出的這個(gè)全新的多GPU系統(tǒng)對(duì)于高層的API和軟件工作負(fù)載來說是完全透明的，這意味著從軟件角度來看，運(yùn)行多GPU配置的系統(tǒng)只需要面向一整個(gè)大型GPU，這和目前大多數(shù)使用多GPU的離散渲染系統(tǒng)形成了鮮明的對(duì)比，后者會(huì)在系統(tǒng)中顯示每一個(gè)離散GPU信號(hào)，這也是Imagination這項(xiàng)全新技術(shù)的特別之處所在。

從實(shí)現(xiàn)的角度來看，這項(xiàng)技術(shù)使得Imagination和其客戶在配置選擇方面有了更多的靈活性，Imagination不再需要設(shè)計(jì)一個(gè)巨大的GPU，并且這種大型GPU往往由于時(shí)序收斂或者微體系結(jié)構(gòu)擴(kuò)展方面需要做更多的工作?，F(xiàn)在Imagination可以設(shè)計(jì)一個(gè)高效率的GPU核心，并且允許客戶對(duì)GPU核心根據(jù)需求進(jìn)行規(guī)模上的縮放。另外，Imagination還聲稱自己將提高GPU的頻率，比如針對(duì)高端市場、云計(jì)算等方面計(jì)劃實(shí)現(xiàn)1.5GHz的產(chǎn)品頻率。

對(duì)于客戶而言，Imagination這樣的設(shè)計(jì)給予了客戶極大的靈活配置空間，客戶不需要等待Imagination為其設(shè)計(jì)實(shí)行目標(biāo)相匹配的GPU，而是利用現(xiàn)有GPU進(jìn)行“縮放”，就可以獲得目標(biāo)性能，并且能夠自主配置和擴(kuò)展，尤其是客戶需要為多個(gè)目標(biāo)設(shè)計(jì)多個(gè)SoC的時(shí)候，那么只需要使用一種GPU模塊就可以輕松實(shí)現(xiàn)多個(gè)性能目標(biāo)。

本文將在后續(xù)段落詳細(xì)介紹Imagination的縮放功能。目前B系列GPU最多可以支持?jǐn)U展至4個(gè)GPU，和一個(gè)較大的GPU相比，在SoC上放置多個(gè)B系列GPU時(shí)并不要求GPU必須相鄰甚至可以完全不相鄰。這是因?yàn)槊總€(gè)GPU都是獨(dú)立的設(shè)計(jì)模塊，設(shè)計(jì)人員甚至可以在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，SoC的四周放置4個(gè)GPU。

對(duì)SoC設(shè)計(jì)人員而言，要使用Imagination的B系列GPU的唯一要求是他們必須使用標(biāo)準(zhǔn)的AXI互聯(lián)總線并將多個(gè)GPU連接到內(nèi)存，對(duì)于GPU之間的連接則沒有那么麻煩，因?yàn)镚PU之間只需要一些比較簡單的連接用于實(shí)現(xiàn)不同的GPU核心之間的中斷即可，這種連接并不傳輸具體的數(shù)據(jù)。因此，這種設(shè)計(jì)特別適合現(xiàn)在比較流行的Chiplet或者多硅片芯片設(shè)計(jì)，盡管當(dāng)前單個(gè)GPU設(shè)計(jì)很難使用和CPU群組相同的方式分解為多個(gè)小芯片，但是Imagination的分散式多GPU在橫跨多個(gè)小芯片時(shí)應(yīng)該不會(huì)出現(xiàn)特別的問題，同時(shí)在軟件端和系統(tǒng)層面，看起來依1日是一個(gè)整體的GPU。

總的來看，Imagination正在使用這種新的多GPU方法來實(shí)現(xiàn)之前無法提供的更高性能的設(shè)計(jì)。Imagination宣稱，通過多GPU擴(kuò)展，他們基于移動(dòng)設(shè)備、更高效的GPU lP可以與英偉達(dá)和AMD當(dāng)前提供的其他產(chǎn)品相競爭（Imagination將其最大配置擴(kuò)展到6TFLOP），并提供PCle的外在設(shè)計(jì)，還帶來了高達(dá)70%的計(jì)算密度提升，這個(gè)數(shù)據(jù)是Imagination定義的，其單位是TFLOPs/mm2。盡管該指標(biāo)在性能方面相對(duì)沒有意義，原因是集群GPU的性能上限依舊受到架構(gòu)和當(dāng)前B系列GPU所能實(shí)現(xiàn)的最高M(jìn)C4擴(kuò)展所限制，但是在小尺寸芯片上，這個(gè)數(shù)據(jù)能夠帶來極高的成本收益，因此也呈現(xiàn)出非常出色的市場競爭力。

目前，Imagination的新B系列GPU目前包含了很多不同的等級(jí)的產(chǎn)品，并且該公司繼續(xù)將其劃分為不同的性能等級(jí)-BXT系列是旗艦GPU設(shè)計(jì)，BXM系列是更加平衡的中端GPU，BXE系列是該公司的最小、最高效的兼容Vulkan的GPU。

從BXT開始4個(gè)GPU如何達(dá)到6TFLOPS性能

在本部分，本文將繼續(xù)討論B系列GPU的擴(kuò)展性和架構(gòu)內(nèi)容。從架構(gòu)角度來看，新的B系列GPU和之前公布的A系列GPU在微架構(gòu)上非常接近，不過Imagination提出新的B系列大約可以帶來性能或者效率15%的提升。另外，B系列GPU還帶來了一些新加入的功能比如IMGIC（ ImaginationImage Compression，Imagination圖像壓縮技術(shù)），這個(gè)技術(shù)后文還有介紹。

更進(jìn)一步來看的話，BXT系列GPU采用了新的SPU設(shè)計(jì)，包含了新的、功能更強(qiáng)大的TPU（紋理處理單元）以及新的128寬度的ALU，這些新的功能加入了被稱為USC（ （UnifiedShading Clusters統(tǒng)一像素計(jì)算簇）的單元。

BXT系列中最大規(guī)模的單元被稱為BTX 32-1024，將其中4個(gè)集成在一起，可以創(chuàng)建被稱為BXT 32-1024 MC4的GPU，這個(gè)GPU在高達(dá)1.5GHz的主頻下能夠提供6TFLOPS的FP32計(jì)算能力，雖然這個(gè)性能還不足以和AMD以及英偉達(dá)的頂級(jí)顯卡相提并論（RTX 3090的FP32性能約35TFLOPS），但是考慮到Imagination是一個(gè)移動(dòng)領(lǐng)域GPU架構(gòu)的提供商，這樣的性能也還是相當(dāng)不錯(cuò)了。

在BXT之外就是BXM系列GPU。相比BXT，BXM的定位要低一些，因此沒有加入XT系列的超寬ALU設(shè)計(jì)。在這個(gè)系列的GPU中，如何實(shí)現(xiàn)最高的面積效能需要仔細(xì)地衡量。以BXM-4-64為例，這個(gè)系列如果使用8XT系列的32寬的ALU，并將4個(gè)同樣型號(hào)的GPU組合在一起實(shí)現(xiàn)BXM-4-64 MC4的GPU的話，那么其面積效率和性能相比單一的、規(guī)模更大的BXM-8-256GPU可能要更高一些。

在更注重性價(jià)比、更小的BXE上，集群使用就變得更有趣了。因?yàn)锽XM系列的設(shè)計(jì)目的極為注重面積效率，但絕對(duì)性能不高，因此BXT和BXM往往作為主要GPU提供，BXE既可以作為主要的GPU，也可以作為輔助GPU形式存在，當(dāng)BXE作為輔助GPU存在的時(shí)候，將不加入固件處理模塊或者幾何圖形模塊，這部分計(jì)算將完全依賴于主GPU的幾何計(jì)算單元。Imagination表示，這種特殊的設(shè)計(jì)能夠在極其微小的區(qū)域面積占用的情況下提供相當(dāng)高的計(jì)算能力和紋理填充率。

根據(jù)Imagination提供的規(guī)格并組織成表后，我們看到了Imagination只需要8鐘不同的硬件設(shè)計(jì)就可以創(chuàng)建RTL并進(jìn)行物理設(shè)計(jì)、確定時(shí)鐘頻率等，面向低端領(lǐng)域的GPU設(shè)計(jì)在這里也可以擴(kuò)展到高端移動(dòng)SoC中，設(shè)計(jì)非常巧妙。對(duì)客戶來說，如此靈活的設(shè)計(jì)方案能夠?yàn)槠鋷碜畲蟮谋憷?，客戶可以通過不同的GPU組合來實(shí)現(xiàn)自己需要的性能。

值得注意的是，雖然在入門級(jí)產(chǎn)品的計(jì)算能力組合搭配上出現(xiàn)了一些重疊，但是不同的區(qū)域效率和不同的填充率可能會(huì)影響產(chǎn)品傾向和用戶選擇。高端市場則可以通過最大的MC4 GPU配置使得高端性能提高4倍。Imagination特別指出，未來他們將不再設(shè)計(jì)比BXT-32-1024更大的單-GPU方案，因?yàn)橛脩艨梢酝ㄟ^BXT-32-1024的多核擴(kuò)展，這樣做投資回報(bào)率更高，并且不涉及更復(fù)雜的大核心芯片設(shè)計(jì)工作。

引入IMGIC實(shí)現(xiàn)更好的幀緩沖壓縮

除了多GPU擴(kuò)展的特性外，新的B系列GPU的另一個(gè)特點(diǎn)是帶來了全新的圖像壓縮算法，簡稱為IMGIC。

從現(xiàn)代GPU的發(fā)展來看，數(shù)據(jù)壓縮是非常重要的一環(huán)，否則GPU將面臨帶寬不足的窘境。迄今為止，Imagination-直在使用PVRIC進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，PVRIC的問題在于其數(shù)據(jù)壓縮率相對(duì)幾個(gè)競爭對(duì)手而言都顯得比較低。比如ARM使用的AFBC （ARMFrame-Buffer Compression，ARM幀緩沖壓縮）就能夠?qū)崿F(xiàn)更高的壓縮率。這導(dǎo)致Imagination的GPU在日常使用中需要更高的帶寬才能發(fā)揮出更好的性能。

IMGIC則是Imagination提出的全新一代、重新設(shè)計(jì)的壓縮算法，Imagination稱其為現(xiàn)在最先進(jìn)的圖像壓縮技術(shù)。和之前的PVRIC相比，新的IMGIC能夠節(jié)約大量帶寬并具有極高的靈活性，尤其是IMGIC不光能對(duì)圖像、較小的圖塊或者像素組進(jìn)行壓縮，還能夠直接處理單個(gè)像素。另外，有消息稱IMGIC的算法也要比PVRIC算法簡單大約8倍，這意味著硬件方面也可以大大簡化，并且在面積上有比較明顯的降低。

IMGIC的靈活性還體現(xiàn)在它能夠根據(jù)不同的場合，提供不同的壓縮比選擇。比如在最大限度節(jié)省帶寬的情況下，壓縮比可以達(dá)到有損的25%，或者是在平衡模式下選擇50%壓縮比同時(shí)獲得視覺無損質(zhì)量，或者選擇75%壓縮比獲得節(jié)約帶寬的無損壓縮模式等。但無論如何，整個(gè)B系列GPU在內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸和處理上都做出了改進(jìn)，節(jié)約了大約35%的帶寬。考慮到內(nèi)存帶寬在移動(dòng)處理器中是一個(gè)非常昂貴的資源，因此B系列GPU在帶寬方面的改進(jìn)是非常有益的。

BXS系列安全性優(yōu)先

除了針對(duì)更高性能的設(shè)計(jì)外，Imagination還將重點(diǎn)放在了汽車和工業(yè)市場上，并針對(duì)這些市場的需求推出了BXS系列GPU，其中S代表的是“safety”。從規(guī)格來看，新的BXS系列產(chǎn)品基本和BXT、BXM和BXE系列配置相同，但是增加了對(duì)IS0 26262/ASIL-B安全功能的支持。

Imagination推出了__項(xiàng)名為“區(qū)塊區(qū)域保護(hù)（Tile Region Protection，簡稱為TRP）”的新功能，該功能可將渲染幀上可配置的渲染區(qū)塊標(biāo)記為關(guān)鍵安全區(qū)塊，GPU可以檢查其執(zhí)行和渲染的結(jié)果，使其符合IS0 26262認(rèn)證的需求。這個(gè)功能最小需要等效BXE的BXS GPU才能支持。此外，Imagination還允許通過CRC來檢查進(jìn)出GPU的所有數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)完整性保護(hù)，進(jìn)一步幫助特殊用戶實(shí)現(xiàn)安全要求。

繼續(xù)說TRP。由于TRP需要單個(gè)GPU來反復(fù)檢查和校驗(yàn)，因此往往會(huì)帶來性能損失，在這里，用戶可能需要配置多GPU來滿足性能的同時(shí)啟用TRP功能。不僅如此，在汽車設(shè)計(jì)中，多GPU配置還可以達(dá)到將GPU劃分為多個(gè)獨(dú)立工作的負(fù)載區(qū)域，來實(shí)現(xiàn)不同的功能并確保整個(gè)系統(tǒng)工作的有效性和安全性。比如有4個(gè)GPU，可以分為3個(gè)分區(qū)，其中2個(gè)GPU協(xié)同工作為諸如信息娛樂系統(tǒng)等提供計(jì)算支持，另外2個(gè)GPU則用于汽車其他部分的數(shù)據(jù)處理甚至監(jiān)控等。

在虛擬化功能方面，Imagination為B系列GPU配置了支持最多8個(gè)“來賓”通道的硬件虛擬化技術(shù)，擁有這個(gè)技術(shù)，GPU用戶可以將2個(gè)GPU虛擬化為3個(gè)分區(qū)，實(shí)現(xiàn)不同的功能，當(dāng)然這種虛擬化不會(huì)帶來性能的提升。

BXS系列除了增加安全功能外，還針對(duì)汽車這種使用場合，對(duì)GPU的架構(gòu)進(jìn)行了一些特定的增強(qiáng)，從而可以為汽車領(lǐng)域更獨(dú)特的工作負(fù)載實(shí)現(xiàn)更好的性能擴(kuò)展。其中之_是對(duì)幾何形狀處理能力的加強(qiáng)，因?yàn)槠嚬?yīng)商傾向于使用更多的三角形。Imagination表示，他們已經(jīng)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)整以涵蓋這些更苛刻的使用場景，并且與一些MSAA特定的優(yōu)化措施相結(jié)合，與常規(guī)的非汽車GPU產(chǎn)品相比，這些支持汽車應(yīng)用的GPU在邊緣處理應(yīng)用場景下的性能可提高60%。

性能、效率和即將來臨的光線追蹤支持

總的來說，B系列產(chǎn)品在GPU設(shè)計(jì)擁有非常顯著的創(chuàng)新。雖然相比A系列產(chǎn)品，B系列產(chǎn)品在GPU架構(gòu)上進(jìn)步不大，但是在多GPU方面具有顯著的創(chuàng)新，并且和之前的多GPU方案都有巨大差異和優(yōu)勢。新的多GPU設(shè)計(jì)帶來了很大的靈活性，能夠在很多場合提供更出色的性能。不過在某些極端情況下，這種多GPU設(shè)計(jì)還是會(huì)帶來性能瓶頸，這也是不可避免的。Imagination希望在大部分場景下能夠擁有比較良好的效果。

在GPU性能方面，Imagination宣稱B系列GPU相比A系列GPU在相同的功耗目標(biāo)下帶來了大約30%的性能提升，其中15%通過微體系架構(gòu)和物理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，其余的部分則是通過選擇多核心GPU配置的PPA優(yōu)勢來實(shí)現(xiàn)的。

在實(shí)際產(chǎn)品方面，Imagination宣布B系列GPU現(xiàn)在已經(jīng)有實(shí)際客戶和產(chǎn)品了。一家名為Innosilicon的廠商基于Imagination推出的B系列GPU設(shè)計(jì)并推出了名為“風(fēng)華”的顯卡產(chǎn)品。在之前，Innosilicon專門設(shè)計(jì)各類ASIC知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品，比如英偉達(dá)的GDDR6存儲(chǔ)控制器，但是這次借助Imagination的B系列的特性，在英偉達(dá)和AMD之外推出了類似獨(dú)立顯卡的產(chǎn)品，面向云計(jì)算和高端數(shù)據(jù)中心等。當(dāng)然，作為首款產(chǎn)品，Innosilicon的努力還值得觀察，但是相比之前從未見過的A系列GPU、8XT、9XT等產(chǎn)品而言，B系列初戰(zhàn)告捷。

除了B系列GPU外，Imagination還預(yù)告了即將到來的C系列GPU，并宣稱C系列GPU將帶來原生光線追蹤支持。實(shí)際上，Imagination在十年前就已經(jīng)擁有有關(guān)光線追蹤的專利和相關(guān)lP設(shè)計(jì)，但是直到英偉達(dá)和AMD紛紛加入光線追蹤技術(shù)、整個(gè)市場環(huán)境逐步成熟后，Imagination才提出在C系列中加入光線追蹤計(jì)算以適應(yīng)市場變化。不僅如此，Imagination還確認(rèn)自家的光線追蹤技術(shù)將擁有全面而完整的功能，包括BVH以及硬件相干排序等，這些功能被Imagination稱之為“第四級(jí)”，相比之下，Imagination定義現(xiàn)有的英偉達(dá)和AMD的光線追蹤為“第三級(jí)”。

小結(jié)

總的來看，Imagination推出的全新B系列GPU帶來了前所未有的擴(kuò)展性，再加上其在數(shù)據(jù)壓縮、安全性方面的努力，使得Imagination的GPU產(chǎn)品能夠有機(jī)會(huì)擴(kuò)展至移動(dòng)GPU之外的其他領(lǐng)域，包括汽車、高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心等。從這一點(diǎn)來看，如果Imagination堅(jiān)持這樣的發(fā)展方向的話，那么未來幾年業(yè)界應(yīng)該會(huì)發(fā)生一些有趣的變化，尤其是新的分布式多GPU的設(shè)計(jì)，可能會(huì)帶來一些意想不到的結(jié)果。