ARM专家深度谈丨抽丝剥茧，看Mali-G71如何应对下一代移动图形处理挑战

在上一期的微信《ARM专家深度谈丨十年巨变，那些改变GPU的关键技术和未来挑战趋势！》中，ARM图形处理器专家谈到了驱动了GPU市场爆炸式发展的深层原因，以及新一代智能手机设计的挑战与趋势。今天我们将继续分享ARM新一代GPU和GPU架构是如何应对如上这些挑战的。

Mali-G71是迄今为止ARM性能最高的GPU。为满足现代用例所需性能，着色器核心数量从1扩展至32，帮助芯片制造商根据目标市场自主权衡性能和功耗。出于这个原因，我们认为Mali-G71将在各类应用中将大展拳脚。

智能手机的很多性能都受到散热的限制，还有一些手机的限制因素则是成本，或者说是芯片尺寸。为了实现更高性，Mali-G71和Bifrost架构同时升级了能源效率（单位瓦特性能）和性能密度（单位芯片面积性能），帮助功耗与散热性能遭遇挑战的芯片制造商实现更高的GPU性能。相似条件下，Mali-G71的能源效率相较Mali-T880最多可提高20%，性能密度最多可提高40%。此外，外部存储消耗的总带宽降低20%，进一步减少整体系统功耗。 

为了进一步说明Mali-G71为何具备远超历代ARM GPU的性能，我们首先来探讨一下GPU架构本身，以及实现这些性能的设计方法。

Bifrost是ARM的第三代可编程的GPU架构，其研发知识与经验传承自Utgard和Midgard GPU架构。

ARM的前两代GPU架构——Utgard和Midgard都取得了巨大成功，它们专为新兴的移动GPU市场打造，无论出货量还是内部科技的运用都可圈可点。Utgard是ARM首款可编程GPU，支持GLES 2.x，片段着色器与顶点着色器相互独立。Midgard则引入了统一着色器，支持GLES 3.x，并可与OpenCL 1.x Full Profile协同实现GPGPU运算。Midgard是一款前瞻性的GPU架构，甚至包括了一些可以支持Vulkan的功能特性。考虑到这是5年前设计的架构，就足以成为了不起的成就。

然而，随着内容和用例的改变，架构本身也必须进行根本性的升级，以适应各类下一代用例。

从顶层设计看，与Midgard架构相比，Bifrost的GPU内核没有明显变化。表面上依然包括多个可扩展的着色器核心、一个负责与驱动程序交互的任务管理器、一个负责处理内存页表的MMU以及一个tiler（Bifrost 仍然是一个 Tile based 渲染架构），但全部模块都获得了显著提升。

通过AMBA ACE或AXI-Lite与外界交互的L2子系统为支持AMBA 4 ACE专门设计，帮助Mali-G71彻底实现硬件一致性，并在GPU和CPU等其他单元之间实现了基于硬件的细粒数据透明共享。

我们对tiler做了重新设计，以支持一种全新的渲染流，即索引驱动的位置渲染。该技术的理念是将顶点着色分为两部分以节省带宽，因为无需读写屏幕上看不见的变化参数（varying）；而且由于无需写回不可见位置，带宽可以得到进一步节省。

着色器核心本身的变化更为巨大。ARM根据大量的内容和趋势分析以及长年的行业经验开发，在Bifrost中引入全新指令集。现代GPU的总体趋势是执行越来越多的复杂可编程着色器，通常通过算法完成并采用大量标量代码。作为全新引擎的一部分，Bifrost采用全新的算法单元，以极高的效率执行高级着色器核心。它们更容易扩展，如果未来需求有增加，该架构也可以轻松应对。

Bifrost的属性（attribute）单元和变化参数单元相互独立，这些操作在图形处理中极为普遍，使用独立的高度优化硬件模块更为合理。全新的指令集引入高效的四线程组以节省控制逻辑，并通过四线程组管理器将线程组切换至执行引擎。我们还加入了一个控制架构以提高物理利用率。如上文所述，此特性对现代工艺节点非常重要。

Bifrost引入了名为子句着色器的概念，专门用于处理执行引擎内部的布线密度问题。你可以将子句想象成一组连续自动执行的指令，也就是说，一个子句的执行不能被中断，无论是分支（如分支只发生在子句边界上）还是其他任何事件都无法中断。这意味着子句是可以预测的，数据路径周围的控制逻辑变得更容易。比如说，你无需在子句内部更新程序计数器，因为GPU知道它会在执行前（或执行后）根据子句内部的指令数量向前推进。

对CPU而言，这一行为并不可取，因为CPU必须迅速处理分支，而且分支的出现并不偶然。但恰恰相反，对GPU而言，该技术又可以进一步优化设计。请想象一组指令集正在经过。连续的指令经常使用上一条指令作为输入（见下方一排中的多个ADD正在积累数据）。如果你经常观察到这一现象，而且你知道访问暂存器组的代价非常高昂（因为这是一个巨大的存储模块），有一种方法来缓解这个问题，那就是巧妙地使用临时寄存器来减少寄存器组的访问量。由于寄存器是临时的，数据只会在一个时钟周期中保留，所以要想实现，子句必须确保在子句内部原子执行。

请参考下图的简单着色器程序，从指令集的角度了解子句着色器的工作原理。需要指出的是，这是开发者所看不到的，由编译器完成的。

通过对Bifrost架构如何提高效率和性能的详细解读，我们可以清楚地了解Mali-G71具备哪些根本性的创新技术，以实现万众期待的GPU性能升级。通过支持全新的现代API（如Vulkan和OpenCL 2.0），Mali-G71有助于实现出色的新兴应用场景体验。ARM将继续研发Bifrost架构，满足下一代内容的需求并超越行业期待。2016年，更多新技术将现身ARM Mali 多媒体组件。

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