本文來源：電子工程專輯

作者：黃燁鋒

近代圖形計算市場上，作為IP供應商Imagination重返高性能桌面市場，應該是2020年IMG B-series GPU IP的發布。關注Imagination的讀者應該知道，在Imagination還自己造GPU的時代里，上世紀90年代，這家公司也是PC顯卡市場的角逐者之一。

當代Imagination的GPU IP，在桌面市場的一個重要客戶，比較眾所周知的就是芯動科技（Innosilicon）——目前已經出貨的風華系列顯卡用到了IMG B-series的GPU IP，具體應該是BXT。我們在近期Imagination舉辦的IMG DXD系列新品發布會現場，也見到了風華系列GPU的身影——現場的工作人員在演示用它跑《王者榮耀》。而Imagination這次新發布的IMG DXD系列新品也是主要面向桌面和云游戲市場的。

發布會現場展示，芯動科技的風華2號顯卡，基于IMGB-series

自2019年，Imagination發布IMG A-series系列GPU IP后，Imagination保持著按照字母序列做產品更新的傳統。IMG DXD自然屬于D-series中的一員。DXD中的后兩個字母某種程度說明了其桌面市場定位——實際上，當前Imagination的GPU IP產品覆蓋領域已經從此前廣為人知的移動市場，擴張到了汽車、消費、桌面和云游戲領域。今年1月，我們也詳談過DXT架構——DXT更多是面向移動設備的。這次我們來談談著力于面向桌面端的IMG DXD。

IMGDXD更新概覽

有關IMG DXD更新，Imagination方面的著重宣傳點大致上包括：單核性能提升——包括架構演進和規模擴大帶來的性能提升、DirectX 11.0支持，以及虛擬技術對于云游戲的原生支持。

性能方面，Imagination Technologies前瞻技術副總裁Kristof Beets將IMG DXD與BXT做了單核性能比較，提及DXD性能相比BXT提升了2.25倍。

ImaginationTechnologies前瞻技術副總裁KristofBeetsIMG DXD核心標定規格是DXD-72-2304，前文已經談到D是最新的D-series新品，XD表明了市場定位。后面的數字部分，72是指紋理填充率（72 GTexel/s，每秒72G的紋素）；2304則是指FP32算力，約為2.3TFLOPS（@1GHz頻率）。實際上，關注過DXT的讀者應該不難發現，DXD的這一核心規格和DXT-72-2304基本一致——只不過DXT作為主要面向移動設備的產品線，還有DXT-8-256和DXT-48-1536可選。宣傳中2.25倍性能提升是相較于BXT而言的，從BXT-32-1024標定大致就能看得出來。可能部分讀者更關心DXD相比于CXT的性能提升有多大。Imagination之所以選擇BXT來比性能，而非CXT，大約是因為已經上市的桌面GPU產品選擇了BXT，如芯動科技的風華2號。而且CXT這代產品的宣傳重點是PowerVR Photon光追架構的應用。從CXT標定“CXT-48-1536 RT3”的典型規格，大致也能看出兩者規模與性能上的差別。DXT-72-2304發布時也曾言明，相較于CXT性能提升50%，包括算力和紋理性能——可供參考。其次，IMG DXD的關鍵特性在于DirectX 11支持——強調對DirectX支持，實際也是在強調DXD的桌面定位屬性，以及對于Windows游戲的支持。雖說DirectX 11并非最新的DirectX API版本，但Kristof給出了下面這張餅圖，用以說明當前DirectX 11仍然是PC游戲選擇圖形API中最為廣泛的平臺。包括《原神》《CS2》《博德之門3》《Dota2》等在內現在比較流行的游戲也仍在使用DirectX 11。“實現了完全的硬件支持，包括所有的新特性，都通過硬件實現，并非模擬或軟件方式。”Kristof說。有關圖形API，IMG DXD也支持包括OpenGL 4.6, OpenGL ES 3.2, Vulkan 1.3和OpenCL 3.0在內的開發生態。另外，在有關DirectX的支持問題上，Kristof也提到將來在更新的版本方面也會持續跟進：“我們在實現Windows的支持方面經驗也比較多，其一致性測試、品質要求方面都相當嚴格。所以我們需要時間，確保產品上市時滿足生態系統和所需的品質要求。我們不會急于求成。”

Imagination官網則提到，從DirectX 11_0的特性支持開始，IMG DXD因此也就為云游戲、桌面圖形體驗做好了準備。這也就相關云游戲支持的另一個屬性了：多核、去中心化的規模縮放，以及相當重要的HyperLane虛擬化技術，在云上確保安全性和性能管理的情況下，支持多玩家。

有關DXD核心變化與性能提升

先來看看DXD-72-2304的單核構成：熟悉DXT的讀者，對此應該也不會陌生。

這樣一個DXD核心內部有3個SPU單元（Scalable Processing Unit）；每個SPU單元內包含有3組TPU（Texture Processing Unit)、USC（Unified Shading Cluster），以及配套的共享邏輯單元（幾何與光柵化單元）。從Rogue架構時期就關注Imagination的同學應該也都知道，USC里面主要就是ALU核心了。新發布的DXD，和DXT這種移動平臺相比，差異應該主要在于一個SPU單元內部的USC和SPU數量。XT系列此前是每個SPU只有一組或者兩組USC/TPU的。從DXT開始，單個SPU內部可擴展到3組USC/TPU。所以如果和更早的BXT比較的話，那么實際上BXT單個SPU單元內就只有兩組USC/TPU。換句話說，D-series的提升是進一步在基礎的SPU可縮放處理單元上堆料——以及后文會提到更多核心、更多計算單元。Kristof評價為brute force scaling，大力出奇跡。不過實際上，從B-series到D-series，算力單元架構層面應該也是有變化的，“許多精細化的架構調整（fune architectural tuning）”。從上面這張圖來看，ALU是128-wide的warps——好像從A-series開始這就是傳統了；浮點性能翻番，包括每周期FP16是512次操作，FP32則為256；local memory本地存儲也提升到了32KB。對于DirectX的支持，也體現在TPU方面的變化，包括BCn格式支持——BCn是一種Direct3D 11 SDK支持的紋理壓縮格式。Kristof也提到所有固定功能單元也在設計上做到了對于DirectX需求的完全支持。尤為值得一提的是右下角的RISC-V固件處理器——從IMG A-series時代開始，這顆小型處理器也是個傳統——完全可編程，主要用于GPU整體任務執行的靈活性：相關數據流、執行、優先級等各種GPU內部的活動，任何事件、決策都通過這顆處理器控制與決定，也就減輕了host CPU的工作。Kristof在答記者問時說，以前Imagination的GPU IP這部分會采用某種內部指令集的CPU架構，在編譯器、工具流等各方面都比較受限制。固件處理器采用RISC-V之后，也就有了廣闊的生態可應用各種最新的工具和標準流程，“的確是幫助我們進入到了新的時代。”Kristof說，不僅“管理負載調度、處理各種GPU生成的事件是基于固件處理器”，而且可“與系統中的其他IP模塊進行彈性交互，比如到其他模塊的基于硬件的事件，像是其他類型的處理器或者顯示控制器，達成更低的延遲和對功耗管理的直接控制。”“比如說，GPU在低利用率的情況下，就可以降低頻率電壓。對于固件處理器而言，在SoC層面可以有相當多的彈性化交互。”與此同時，“固件處理器還用于性能分析和各種debug：包括軟件開發者做步進式的debug，基于硬件的debug。”Imagination在新聞稿中提到，現在的這種設計相比過去“將GPU管理性能提高40%”。除了固件處理器，最高層級DXD還有L3 cache，AXI Bus總線界面等組成部分。據說cache架構也有提升，“以滿足高性能GPU的需求”。架構部分，這次Imagination沒怎么在發布會上提光線追蹤這個原屬于Imagination的傳統藝能。從DXT此前強調的光追實現來看，DXD應該也能加入RAC從硬件層面實現光追（基于SPU做RAC光追加速集群的搭配）。猜測Imagination之所以沒有在DXD架構上強調光追，是因為DirectX 11實際上還沒有對光追做出正式支持。從核心數目角度，這次發布會主要談論的是MC1, MC2的配置方案，也就是上述DXD-72-2304的單核與雙核配置。Kristof說設計上最多可以達到4個核心——組成一個大的系統。其實在去年7月的Khronos &Imagination Seminar技術研討會上，Imagination分享過CXT時代多GPU顯卡的進一步性能擴展；或者也可以基于chiplet來構成更大的GPU，因為Imagination的GPU IP這幾代都在采用松散、去中心化的邏輯，達成更好的設計伸縮性和靈活性。“其實我們在多核設計上，核心之間也采用標準、少量的連接，也就能夠與chiplet設計兼容。在不同的市場上，我們也參與了不少標準化組織。”Kristof在采訪中說，“比如汽車市場就在看標準化，我們在這個領域也很活躍，當前正和一家我們還沒有宣布的客戶做討論，采用chiplet技術來構建解決方案。”最后做個雙核DXD-72-2304的性能總結，如上圖所示：性能數字基本就是MC1的性能翻番，包括1GHz下紋理填充率144 GTexel/s，FP32算力4.6 TFLOPS，FP16算力9.2 TFLOPS FP17，基于Int8的AI算力18 TOPS。另外，到具體的負載上，Imagination將DXD-72-2304MC1與BXT-32-1024MC2做了對比。Kristof說之所以用BXT的雙核來比DXD的單核，是考慮到讓雙方達成盡可能相似的性能配置。即便如此，DXD這邊依然多出了12%的ALU和紋理資源，對比結果如下圖：這4個負載中，最高提升幅度有60%，最低也有20%。所以綜合系統性能，單核DXD相比于雙核BXT提升幅度在40%左右——這個數據應該是最有參考價值的了。

注意DXD相比于BXT高出的性能部分，其中灰色代表的是多出的ALU算力資源，而白色部分則表現出了架構調整帶來的效率提升。可見DXD也不光是靠堆料達成的性能提升。只不過Imagination方面并未具體去談這對比的4個負載究竟是什么負載。Kristof解釋說：“提升最大的是其中最復雜的兩個負載，負載1和負載2，代表的是高端游戲場景——在桌面市場是具有代表性的。”

其他相關特性，與云游戲支持

除此之外，再來談一談其他的一些關鍵特性——雖然其中的絕大部分在此前的幾代產品中也已經實現了。比如說我們過去提過多次的FSR（Fragment Shading Rate），這是個有些類似于VRS可變速率著色的技術：可以理解為對畫面中不怎么重要、不需要高精度渲染的區域，降低處理量，與此同時對觀感和體驗影響又幾乎可以忽略不計，起到降低負載、功耗，提升效率的效果。

更具體地說，是基于區域（zone）來做shader著色執行，而不是針對每個像素做著色。比如說針對2x2, 2x4或者4x4區域做一次shader執行，大幅降低著色開銷，降低功耗、帶寬需求，也就變相帶來了性能的顯著提升。

在性能和效率所做的優化里，一些關鍵特性還包括2D雙速率紋理、流水線數據主控、通過ASTC HDR支持增強視覺細節等。有關2D雙速率紋理（2D Dual-Rate Texturing），此前Imagination就解釋過，他們觀察到包括淺景深、bloom、模糊之類的效果和負載，不少瓶頸出在TPU吞吐上，但一味擴充TPU規模也不合理。所以開發團隊搞了這項技術，達成后處理效果的更加高效，對應的核心配置可因此實現每時鐘周期處理雙倍數量的雙線性過濾紋理采樣，也就是雙倍的執行率。Kristof這次解釋說傳統的GPU紋理，是拿到一個圖像，然后映射到3D對象上，比如一個球面——這就產生了計算復雜性，包括邏輯透視修正等。“但其實我們發現可以用常用的2D操作來完成。”Kristof表示，“數據訪問和處理變得更加直接，因為只需要讀取輸入像素、處理，然后再輸出就可以。”“在游戲后處理、圖像處理、計算攝影等領域，以這種模式來工作可以將吞吐量提高一倍。”而“流水線數據主控”即pipeline data master是將渲染和固件改換工作（包括寄存器編程等），這兩個步驟做到了流水線化：也就是說在GPU的上一個工作還在處理執行時，固件就設定下一個工作，減少負載之間不必要的等待，提升性能。還有一項特性是ASTC HDR支持，基于ASTC（Adaptive Scalable Texture Compression）算法支持HDR輸入壓縮紋理。這個格式的支持部分應該也是為了達成DirectX的要求。這部分的最后來談談云游戲的支持——就GPU IP層面體現的，主要是對于虛擬化的原生支持。也就是GPU用于云基礎設施以后，必然面臨算力資源的虛擬化，來達成對多游戲玩家的資源分配與支持。下面這張圖是以4核DXD為例所舉的例子——這些核心可以單獨工作，也可以組合起來工作。或者以1+3或2+2等不同組合方式單獨工作，或者協同工作。基于IMG A-series時期就帶來的HyperLane虛擬化技術，每個GPU核心都可以切分成8個獨立的硬件管理域，用于跑不同的負載。所以如果是4個DXD核心的話，總共最多也就有硬件級支持的32個虛擬域，用于完全隔離不同的云游戲用戶。“這是完全基于硬件實現的，性能損失和開銷都做到了最小。”“虛擬化系統注重的是靈活性。”Imagination Technologies中國區技術支持總監艾克在采訪中說，“這項技術可以把用戶的數據也進行分離，對每個用戶之間的數據做到隔離和保護；同時分擔不同負載，提供硬件調度的靈活性——比如有用戶在玩大型游戲，而有些則在閑置狀態，那么最終我們就能提供節約功耗、靈活度又高的云游戲方案。”

就物理實現問題，據我們所知很大程度是依靠Data Master數據主控在整個GPU硬件資源之間進行動態的工作分配執行，每個時鐘周期不同的模塊可以執行不同的任務，多路工作同時進行，硬件級別實現高級調度機制。此前Imagination將8路切分稱作8條hyperlane，每條lane的內容都做到了隔離。

圖形生態與落地情況

游戲圖形生態主要相關圖形API支持，游戲引擎支持，以及游戲開發者方面的合作。圖形API的部分前文已經提到，尤其DirectX 11的支持為IMG DXD應用于桌面市場做好了準備；和Khronos相關的合作就更不必多說了。

而在游戲引擎方面，包括虛幻（Unreal）、O3DE、Godot、Roblox等；游戲開發者部分的合作，Kristof在發布會上提到了米哈游、光子工作室群、完美世界、網易游戲。Kristof在產品發布最后提到，DXD架構已經授權給了多家客戶。相信在不久的將來，我們有機會在桌面平臺通過基于IMG DXD的顯卡玩桌面游戲。只不過桌面圖形生態一直是各類垂直市場上最難啃的一塊骨頭，畢竟這一領域基本已經發展到了高度成熟狀態——當然我們依然樂于見到挑戰者的出現。

發布會現場，象帝先天鈞系列GPU產品展示從Imagination當前的策略來看，未來Imagination還準備將旗下的不同IP產品擴展到更多的領域。Imagination公司副總裁、中國區總經理劉國軍說目前公司的市場布局主要有兩個方向，其一是隨著包括GPU、CPU、NPU IP的產品線擴張，“我們需要尋求更多生態合作伙伴的合作，有更多的合作面”；

其二是“在應用方面，我們擴展到桌面、數據中心，還有這兩年汽車方向的應用”，“無論是這次新發布的DXD，還是汽車、IoT、edge AI、消費等各個領域”，都會鋪開布局。從Imagination官網列出產品與解決方案中，僅GPU就同時有DXD, DXT, CXT, CXM, B-series, A-series等不同門類就看得出Imagination在覆蓋更廣闊市場方面的預期。