细数移动设备 GPU的进化之路

    近年来智能手机和其他移动设备的硬件是科技市场发展最快的市场之一。智能手机领域巨大的销量吸引了各行各业众多想要为这些设备生产硬件和软件的公司的目光。虽然 ARM 公司的 RISC 处理器是这些设备最基础的 CPU，但是仍然有一些公司有心争夺移动 GPU 市场的领导地位。AMD、ARM、Nvidia、PowerVR、Qualcomm 和 Vivente 是该领域最主要的公司，我们将会逐一分析每家公司的 GPU 产品，从而能够深入了解智能手机行业竞争最激烈的领域。

　　Imagination PowerVR

　　Imagination Technologies 公司是移动 GPU 领域资历最老的公司之一，为电脑、游戏机和其他设备生产 GPU 的历史超过 15 年。在 2000 年早期，由于 ATI 和 Nvidia 在 GPU 性能方面都有很大提升时，很多生产图形芯片的公司被挤出了 PC 市场。为了应对这一危机，Imagination 公司将注意力集中到了开发低耗能的 GPU 上，从而最终演化成了移动市场的佼佼者。PowerVR 图形处理技术在显卡行业可谓独树一帜，因为它使用多边形而不是三角形作为基本几何图形。PowerVR 也可以通过使用一种基于图块的延迟渲染技术简化渲染过程。这种技术使得并行化处理变得简单，并且减少 GPU 所需要的带宽。

　　1. 2000：The PowerVR MBX

　　PowerVR MBX 和 MBX Lite 在技术上是一致的，但是 MBX Lite 耗能更低，因为它使用的较低的时钟速度。这种 GPU 已经被集成到了系统芯片中（SoCs），例如代的 iPhone 和 Nokia N95，同时也被集成到了另外的产品中，例如戴尔 Axim 50v。飞思卡尔、德州仪器（TI）和三星的系统芯片中都使用了 MBX GPU。因特尔也将 MBX GPU 集成到一些 ARM 2700G 处理器中。PowerVR MBX 和 OpenGL ES 1.x、OpenGL 1.1 和 DirectX 7 是完全适配的，有可能成为 PowerVR Kyro GPUs 的继任产品。

　　2. 2005 – 2010：Imagination 第五代 GPUs

　　2005 年 Imagination 公司推出了第五代 GPU：PowerVR SGX 系列。这种图形处理器支持 OpenGL ES 2.0，在当时功能强大、效率非常高，而且今天仍然广泛应用于智能手机中。这种图形处理器位于通用可扩展着色引擎（USSE）的中心，可支持多种性能层次。这种 GPU 广泛应用于三星 Exynos 系统芯片（SoCs），Apple A4 和德州仪器 OMAP3 SoCs 种。因特尔将这种 GPU 集成到该公司的一些芯片组中，可用于 Atom 和奔腾 M 处理器中。一些使用这种 GPU 的设备包括 Freebox Revolution、代 iPad、代 iPhone，一些 Galaxy S2 智能手机和 Google Glass。

　　目前也存在着该型号的各种不同架构，但是 SGX535 是最常见的一款。这种模式具有两个处理单元，同时与两个 TMU 结合，支持 DirectX 9。SGX530、SGX 531 和 SGX540 模式的使用也非常广泛。该系列中最性能最强劲的 GPU 当属 2010 年推出的 SGX545，该模式拥有四个 EUs，两个 TMUs，并且支持 DirectX 10.1 和 OpenGL 3.2。

　　3. 2009 – 2010：5 XT 系列

　　2009 年 Imagination 进一步改进了其第五代 GPU 的设计，推出了 5XT 系列。这些新的 GPU 和第五代图形处理芯片具有相同的时钟速度，但是性能却更高。这的改进主要体现在引擎改为了 USSE2 引擎，以及加入了对多核的支持。虽然第五代 GPU 中的 EU 和 TMU 的数量在每个芯片中都不一样，但是在单个 USSE 内部具有执行资源。多 USSE2 引擎可以相互结合，从而获得更快的 GPUs。具有多个 USSE2 引擎的 GPUs 以“MP#”为标记，其中 # 代表 USSE2 核的数量。例如 Apple 的 A5 芯片具有 PowerVR SGX543MP2（意味着有两个 USSE2 内核），PlayStation Vita 具有 PowerVR SGX544MP4（意味着其中有四个 USSE2 内核）。虽然从技术上说最多可以使用 16 个内核，但是传统的方案中一般只使用两个、三个或者四个内核。

　　5XT 系列中 USSE2 只有两个版本——SGX543 和 SGX544 的 USSE2 单元（包含 4 个 EUs 和 2 个 TMUs），以及 SGX554 的 USSE2 单元（包含 8 个 EUs 和 2 个 TMUs）。该系列和 OpenGL ES 2.x 和 DirectX 9.0 相互兼容，但是对于 API 的兼容性则视具体情况而定。该系列在以下产品中使用更多：Apple (A5, A5X, A6, A6X), 三星 (Exynos) 和德州仪器。

　　4. 2012-2014：PowerVR Rogue

　　2012 年 Imagination 推出了第六代 GPU，代号为 Rogue。Rogue 是 Imagination 的个一体化架构，也是该公司个支持 DirectX 10（G6100 和 6XE 只支持 DirectX 9）和 OpenGL ES 3.1 的 GPU。和 5XT 系列类似，Rogue 系列 GPU 支持多显卡配置。虽然和 5XT 系列相比，第六代 GPU 优势突出，但是系统芯片制造商对第六代 GPU 的采用率却很慢；相比之下，他们更偏爱 5XT 图像处理芯片。在因特尔的 Atom Z34x0 CPUs (PowerVR G6400)、Apple A7 (PowerVR G6430) 和 Apple A8 (PowerVR GX6450) 中成功实现了四核，而在 Allwinner (PowerVR G6200) 和 Mediatek 的系统芯片中则采用的是双核配置。Apple A8X 使用的则是超高性能的 8 核配置，即 PowerVR GX6850。

　　5. 2014 – 2015：PowerVR 7 系列

　　2014 年 Imagination 推出了第七代 GPU，试图取代第六代产品。第七代 GPU 有两个版本：PowerVR 7XE 系列和 PowerVR 7XT 系列。API 仅支持 OpenGL ES 3.1 和 OpenCL 1.2，但是在高端 7XT 系列可扩展至 OpenGL 3.3 和 DirectX 10。这些 GPU 还没有被系统芯片制造商采用，但是 GT7600 已经用于 Apple A9 芯片中。最强劲的 GPU GT7900 包含有 16 个数据聚类，总共具有 32 个处理单元。

　　2002 – 2008：AMD

　　2002 年，ATI 创建了自己的 Imageon 生产线，致力于为低功耗的移动设备供应图像处理器。Imageon GPU 用于 Zodiac Console 和 Palm OS 中。2006 年 AMD 试图购买 ATI，而最终在 2008 年将 Imageon 产品线卖给了 Qualcomm。Qualcomm 将该 GPU 系列重新命名为 Adreno，并且将 AMD Imageon Z430 重新更名为 Adreno 200，并且将其集成到公司的 Snapdragon 系统芯片中。

　　Qualcomm

　　1. 2008 – 2013：Adreno 2xx

　　Qualcomm 的代 GPU 产品是 Adreno GPUs 200 系列和 Adreno 200 非常接近，使用相同的统一的 5 路 VLIW 架构，支持 OpenGL ES2.0 和 DirectX 移动。的版本是 225 和 230，支持 DirectX 9，但是其性能非常低。Adreno 200 系列用于 Qualcomm 系统芯片中，包括 ARM11、Cortex A5、Scorpio 和 Krait 内核。目前有大量设备使用 Adreno 200 系列 GPU，其中包括三星、HTC、黑莓和其他一些厂商。该 GPU 也集成在 Windows Phone 7 设备中，而 225 版本则应用在黑莓 Z10 产品中。

　　2. 2012 – 2014：Adreno 300

　　Adreno 300 系列 GPU 将 API 支持范围拓展到 OpenGL ES 3.x、DirectX 9.0 (9_3) 和 OpenCL 1.1。Adreno 300 广泛应用于 Snapdragon S4、200、400、600 和 800 系统芯片中。该系列的 GPU 涵盖了性能较低的 Adreno 302（只有 6 个计算单元）到性能表现较高的 Adreno 330（具有 32 个计算单元），且频率较高。Adreno 330 GPU 广泛应用于 Snapdragon 800 和 801 系统芯片中，同时在一些智能手机中应用，例如 LG G3 和 Galaxy S5。

　　3. 2014：Adreno 400

　　最近 Snapdragon 610、615、616、617、805、808 和 810 系统芯片都采用 Qualcomm 的 Adreno 400 系列 GPU。Adreno 400 系列比 300 系列更快，且扩展了 API 支持，包括 DirectX 11.2、OpenGL 3.1、OpenVG 1.1 和 OpenCL 1.2。一些高端设备则使用的是 Snapdragon 805，例如 Nexus 6、Galaxy Note 4、Note Edge 和一些三星 Galaxy S5 智能手机。

　　4. 2015-2016：Adreno 500

　　2015 年 Qualcomm 宣布了几类新的 Snapdragon 系统芯片，包括 430、618、620 和 820。这些系统芯片中使用的是新一代 Adreno GPUs：500 系列。虽然该系列还没有上市，但是我们已经知道了其主要特征。Adreno 530 和 510 和 OpenGL ES 3.1+ AES、OpenCL 2.0、Vulkan 和 DirectX 11.2 兼容。同时，Adreno 505 只能支持 OpenGL ES 3.1 和 DirectX 11.2。Adreno 530 也是 Qualcomm 首款采用 14 纳米光刻技术制造的 GPU（Adreno 505 和 510 仍然采用的是 28 纳米光刻技术）。

　　ARM Mali 系列

　　2006 年 ARM 收购了挪威 GPU 开发公司 Falanx，该公司成为了 ARM 的挪威分部，并且继续开发 ARM 的 GPU 技术：Mali。ARM 授权其他公司将 Mali GPU 集成到 ARM 公司的 CPU 内核的系统芯片中。Mali GPU 具有北欧代号，并且在系统芯片开发者眼中越来越受重视，尤其是提供入门级系统芯片的制造商。这是因为这些公司可以从 ARM 公司获得几乎可以马上使用的系统芯片，然后置入到产品中。

　　1. 2008：Mali-400 和 Mali-450

　　Mali-400 和 Mali-450（代号为 Utgard）是 ARM 最古老的 GPU，同时也是入门级产品。和 PowerVR 5XT 系列类似，它们也可用于多核架构中。Mali-400 广泛应用于 400 MP、400 MP2 或 400 MP4 设计中。Mali-450 可以达到 8 核，差不多是 Mali-400 的两倍。Mali-400 MP4 应用于三星的 Exynos 系统芯片中，主要应用的设备包括三星 Galaxy S3 和 Galaxy Note。Mali-450 的使用更加罕见，主打入门级市场。Th-400 和 Mali-450 主要为游戏而设计，可与 OpenGL ES 2.0 兼容。

　　2. 2012-2014：Mali-T600

　　2012 年 ARM 推出了 Mali-T600 系列 GPU。和 400 系列不同，Mali-T600 系列 GPU 是为游戏和计算工作而设计的，且支持 OpenCL，同时也支持 OpenGL ES 和 DirectX 9.0。Mali-T600 GPU 的使用非常罕见，但是这款 GPU 应用于三星 Exynos 5 中，内置于 ARM Cortex-A15 CPU。三星在其首款 Chromebook 中也使用了 Mali-T600 系列的 GPU。

　　3. 2013：Mali-T700

　　Mali GPU 700 系列首次应用于 64 位系统芯片中。该系列也是 T600 系列内部 Midgard 架构的升级，其 API 扩展至支持 DirectX 11.1、OpenGL ES 3.1 和 OpenCL 1.1。该系列应用于集中系统芯片中，包括 MediaTek MT6732 (Mali-T760)、MT6752 (Mali-T760)、MT6753 (Mali-T720MP3)、Samsung Exynos Octa 7（一些使用 MP6，另一些使用 MP8）和 Rockchip RK3288 (Mali-T764)。

　　4. 2015-2016：Mali-T800

　　在今年年底，ARM 计划推出其的 T800 系列 GPU：Mali-T820、T830 和 T860。该系列 GPU 采用 28 纳米光刻工艺，频率为 650 MHz，且与 DirectX 11.1 兼容，支持 OpenGL ES 3.1 和 OpenCL 1.2；该系列 GPU 继续使用 Midgard 架构。ARM 计划在 2016 年第二季度推出性能更强劲的 GPU：Mali-T880。Mali-T880 将采用 16 纳米光刻工艺，且操作频率为 850 MHz。

　　Nvidia 角逐移动市场

　　Nvidia 凭借 Tegra 系统芯片进入移动 GPU 游戏市场，并且将 ARM CPU 和 Nvidia 的图形处理技术结合在了一起。初代 Tegra 虽然应用于一些设备之中，包括 Kin 和 Zune HD，但是使用范围并不广。Nvidia 的第二代芯片 Tegra 2 则显得更加成功。

　　1. 2010：Tegra 2

　　Tegra 2 是款双核系统芯片，支持 OpenGL ES 2.0，但并不使用统一架构，相反，它结合 4 个顶点着色引擎和 4 个像素着色器。Tegra 2 具有很多缺陷，例如缺乏 NEON 指令集，视频解码引擎也有问题，但是该芯片仍然获得了很大的成功。摩托罗拉、三星、LG、索尼和许多其他大厂家都采用了 Tegra 2。

　　2. 2011：Tegra 3

　　Tegra 3（代号为 Kal-el）是 Tegra 2 的升级版。Nvidia 采用了一种四核 CPU 设计，包括 12 个 GPU 内核（8 个像素着色器和 4 个顶点着色器）；时钟速度也有了提升，从而可以提高性能。Tegra 3 也获得了巨大的成功。这款 GPU 应用于初代 Microsoft Surface RT、HTC One X 和 Google Nexus 7 中。这款 GPU 虽然效率非常高，但是也遭遇了很多设计上的问题，例如它并不是一个统一架构，从而使得其支持的 OpenGL 不超过 ES 2.0 版本。

　　3. 2013：Tegra 4 和 Tegra 4i

　　Tegra 4 和 Tegra 4i 并不如 Tegra 2 和 Tegra 3 那样流行。Nvidia 更新了 Cortex-A15 CPU 内核处理器，但是并没有有效改变 GPU 架构。证明这是一个非常严重的问题，因为 Nvidia 在移动图像处理器市场的主要竞争对手已经使用 GPU 统一架构，从而可以支持 OpenGL ES 3.0。 为了增加竞争力，Nvidia 大幅增加了 GPU 的内核数量以加强性能。Tegra 4i 的 GPU 包含有 60 个处理器单元（48 个像素着色器和 12 个顶点着色器），而 Tegra 4 则具有 72 个内核（48 个像素着色器和 24 个顶点着色器）。但是使用这种系统芯片的设备非常少。最有可能使用该系列系统芯片的设备是 Nvidia 自己出的 Shield 和 Tegra Note 7。

　　4. 2014：Tegra K1

　　随着 Tegra K1 的推出，市场开始有了转机。在 GPU 架构方面，Nvidia 最终采用了 Kepler 架构（已经在 PC 领域使用）来取代之前 Tegra 系列产品的特殊架构。Kepler 架构的性能表现非常快，远超移动领域其他同类产品，以至于有时人们将其称之为移动界的 GTX 泰坦。虽然功能相同，但是其性能却是竞争对手望尘莫及的。Tegra K1 支持 OpenGL ES 和 Direct X 11.2。使用 Tegra K1 的产品非常少，但是 Nvidia 将其用在了 Shield 平板上。

　　5. 2015：Tegra X1

　　2015 年 Nvidia 推出了 Tegra K1 的升级版 Tegra X1（代号为 Erista）。这款系统芯片的主要升级是将 Kepler 架构的 192 核 KG20A 升级到了更省能耗的 Maxwell 架构的 256 核（16 TMUs 和 16 ROPs）GM20M。时钟速度也从 852 MHz 升级到了 1000 MHz。Tegra X1 应用于 Nvidia Shield TV 和 Pixel C Google 平板中。

　　Vivante：一位行业挑战者

　　移动市场的一位轻量级竞争者是 Vivante。这家美国公司提供性能强劲的 GPU，但是使用者却寥寥无几。这是由于这些 GPU 主要用于嵌入式装置中，而很少用于智能手机中。虽然这些 GPU 也支持 DirectX 11 和 OpenGL ES 3.x，但是由于其在行业内的位置，从而使得很多游戏开发者对其并不兼容。

　　DMP：PICA200

　　让我们再来看一下日本公司 DMP。DMP 的 GPU 技术并不应用于智能手机，但是却广泛应用于任天堂的掌上游戏机中。DMP 的 PICA200 应用于任天堂 3DS、3DS XL 和 2DS 中。这款 GPU 已经非常古来，可追溯到 2006 年，且 API 支持很有限（OpenGL ES 1.1）。然而，其对于任天堂的游戏机却效果非常好。