GPU爆炸式發展的背后及未來挑戰趨勢

　　移動設備已經成為最主要的游戲平臺，由于移動游戲的便捷性，玩家人數持續增加，并進一步推動游戲數量的上升。從免費的獨立游戲到數百萬美元投資的工作室游戲，現代玩家有豐富的游戲類型、價格和質量等級可供選擇。隨著可選游戲數量的上升，視覺效果也得到顯著改善。GPU剛剛引入移動設備時，3D游戲簡單粗暴，不堪入目。而現在呢?游戲畫面豐富多彩，景色怡人，動態感十足，在上一代的手柄游戲機時代都是前所未聞的。

　　上圖是ARM演示團隊制作的三張示意圖。我們先來看看相對簡單(以今天的標準)的3D內容，演示游戲為2010年推出的True Force，運行于2011年款的Galaxy S2。每幀圖元16k，片段處理每像素時鐘周期3.7次，基于OpenGL ES 2.0。

　　3年后的2013年，OpenGL ES 3.0正式推出，改善了GPU 對GPU運算的支持(并不是OpenGL ES 3.0 API的主打特色，而隨OpenGL ES 3.1正式推出);允許開發商使用更多高級渲染技術。結合基礎硬件后，視覺質量顯著提升。將Trollheim演示與TrueForce比較一下便可一目了然，前者的復雜性比后者高了不少。TrueForce的每幀圖元為16k，而Trollheim為150k，TrueForce的片段處理每像素時鐘周期為3.7次，而Trollheim則為16次。

　　2016年，Vulkan正式推出，API效率大幅提高，與OpenGL ES相比能夠以更低的開銷幫助開發商更好地發揮硬件性能。當然，硬件本身也快速發展，比較一下Lofoten和Trollheim演示，我們即可清楚地看到復雜度的提升：每幀圖元提高了300%，片段復雜度提高了150%。

　　智能手機設計的挑戰與趨勢

　　使用場景的變化僅是一個方面，移動設備本身也經歷大幅升級。智能手機市場最初主打旗艦機型，隨著智能化程度的不斷提高，很多 PC特性已經可以實現，但通訊依舊是其主要功能。然而，過去短短幾年間，智能手機用途不斷擴展，打電話已不再是智能手機的主要功能，圖像顯示成為了關注焦點。

　　過去，手機電池壽命一般用單次充電支持的通話時長來衡量，而現在的標準則是網絡瀏覽或高端游戲的續航時間，GPU與顯示性能一起備受關注。用戶希望體驗更高質量的視覺效果，到目前為止，這一目標都是經由智能手機設計改善，以及顯示內容的美感和流暢性來實現，一個證據就是屏幕邊框變得越來越窄。市場的大致趨勢是朝著屏幕包裹設備的方向發展，設計美感更多由UI而非硬件來實現。下圖中，我們可以看出屏幕占整個設備的比例不斷增加。這一趨勢在三星Galaxy S7 Edge等機型上體現得尤為明顯，已經實現屏幕對設備的全包裹。

　　除了打電話，現代智能手機還能提供極為豐富的功能，如郵件、社交媒體、導航定位、支付、瀏覽網頁、游戲、拍照和視頻等等。用戶在期待功能升級的同時，也希望電池壽命不斷延長。但是，即便使用當前所有最先進的技術，智能手機的電池容量還是要不斷增大，具體變化趨勢見下圖。

　　除了電池容量變大，智能手機還變得越來越薄。一些機型的厚度甚至已經達到了7毫米以下，考慮到現代智能手機的技術含量，如此纖薄實在令人驚訝。

　　這樣的發展方向并非完全沒有弊端。屏幕增大導致電池尺寸變大，機身變薄，設備散熱能力下降，因為屏幕的散熱效率不如金屬機身。此外，機身變薄后，用以散熱的表面積也會減少。現代高端智能手機的性能上限很大程度上被散熱能力牽制，如何保證機身內部元器件不因為高溫而受損則因此成為另一大挑戰。

　　現代智能手機裝有多種耗電發熱的核心元件，如攝像頭子系統、屏幕、調制解調器、Wi-Fi、非易失性存儲器、DRAM和主芯片本身(包括CPU、GPU和其他處理器)。因為總功耗一致，所以其中任何一個元件功耗的減少，都可以增加其他元件可以使用的配額，這也是系統功耗配比由用例決定的原因。

　　現代GPU非常復雜，嚴重依賴CPU運行驅動程序，以實現基于軟件與應用程序進行交互。多虧了Vulkan這樣的現代API，驅動程序的開銷下降了，但是CPU依然需要運行驅動程序，所以不能完全避免耗電。由于所有元件功耗預算共享，因此在CPU中使用的、用于GPU交互的功耗就是不能應用于GPU本身的功耗。基于上述原因，降低CPU功耗勢在必行，不僅是為GPU發展掃清瓶頸，更是要為盡可能的提高GPU可用功耗鋪平道路。

　　與之類似，在運行復雜3D游戲的現代系統中，GPU會消耗大量DRAM帶寬。由于要處理大量數據(上述提及的Lofoten每幀處理600,000個三角)，消耗帶寬責無旁貸，但DRAM的讀寫本身就是耗電的過程，也需要占用系統的總功耗預算。減少DRAM帶寬可以降低其功耗，并用于其他元件。