作者：北京華興萬邦管理咨詢有限公司翔煜 商瑞

功效比超高的DXTP GPU IP將為圖形計算與邊緣AI應用SoC的創(chuàng)新提供巨大的幫助

Imagination于不久前正式發(fā)布了DXTP GPU IP，這款新產(chǎn)品的亮點在于，在標準圖形工作負載下，其能效比（FPS/W）相比前代產(chǎn)品實現(xiàn)了高達20%的提升。作為GPU IP行業(yè)的領(lǐng)導者，截至2023年的公開數(shù)據(jù)顯示，搭載Imagination IP授權(quán)的芯片累計出貨量高達110億顆。這些芯片廣泛應用于移動設(shè)備（包括智能手機）、汽車、消費電子產(chǎn)品和電腦等多個領(lǐng)域。此次功效得到大幅提升的DXTP GPU的發(fā)布，正值在DeepSeek等大模型技術(shù)的推動下，邊緣AI設(shè)備廣泛興起的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型期，功效更高的GPU IP將為邊緣端側(cè)AI SoC的開發(fā)提供巨大的支持。同時，DXTP GPU也是Imagination繼不久前發(fā)布比鎖步和雙備份成本低很多的、已獲得ASIL-B認證的GPU分布式功能安全機制后又一個重大技術(shù)持續(xù)進步。

而回顧GPU的技術(shù)升級浪潮，可以發(fā)現(xiàn)Imagination始終以創(chuàng)新為核心動力，在近幾年不斷推出具有突破性的IP產(chǎn)品，從根本上重塑了圖形計算和人工智能領(lǐng)域的發(fā)展藍圖。因此，本文以Imagination在GPU領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新為例，通過盤點該公司近年來在GPU技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新，分析其長期堅持的技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略，以及這一戰(zhàn)略與國內(nèi)芯片設(shè)計公司在各個領(lǐng)域內(nèi)協(xié)同創(chuàng)新的機會，共同探索如何成為行業(yè)引領(lǐng)者實現(xiàn)雙贏，支持國內(nèi)芯片企業(yè)去實現(xiàn)更多的創(chuàng)新與突破。

Imagination：持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新助其成為GPU行業(yè)的引領(lǐng)者

2021年，Imagination推出了業(yè)界首款在移動平臺上支持硬件光線追蹤的GPU IP——Imagination CXT GPU，這一創(chuàng)舉在移動圖形處理領(lǐng)域具有里程碑意義。在CXT誕生之前，移動設(shè)備受限于硬件性能和功耗等因素，圖形渲染的真實感和沉浸感遠不及桌面設(shè)備。

CXT通過引入Imagination開發(fā)的PowerVR Photon架構(gòu)的光線加速集群（RAC），成功解決了這一難題。RAC采用了先進的光線處理算法，能夠高效處理光線的傳播、反射、折射和陰影計算等復雜操作。

CXT的光線追蹤技術(shù)能夠?qū)崟r計算光線的傳播路徑，生成逼真的光影效果，使得游戲中的物體與場景之間的光影交互更加自然。此外，CXT在功耗控制方面也進行了優(yōu)化。它采用了動態(tài)功耗管理技術(shù)，根據(jù)光線追蹤任務的復雜度自動調(diào)整硬件資源的分配，在保證圖形質(zhì)量的同時，盡可能降低能耗。這使得移動設(shè)備在運行支持光線追蹤的游戲時，不會因為功耗過高而導致發(fā)熱嚴重或續(xù)航時間大幅縮短，為移動光線追蹤技術(shù)的普及奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2023年，Imagination推出新一代的IMG DXT GPU，在CXT GPU取得成功的基礎(chǔ)上，進一步發(fā)展了光線追蹤技術(shù)。DXT GPU具備可擴展的光線追蹤功能，這一創(chuàng)新特性使廠商能夠根據(jù)不同的應用場景和設(shè)備性能需求，靈活調(diào)整光線追蹤的精度和復雜度。對于高端游戲和專業(yè)圖形設(shè)計領(lǐng)域，DXT能夠提供更高質(zhì)量的光線追蹤。在有復雜渲染需求的大型游戲中，DXT不僅可以實現(xiàn)全域光照效果，并且模擬真實世界中光線在場景中的多次反射和折射，使整個游戲場景更加明亮和自然。同時，DXT上的擴展光線追蹤技術(shù)在專業(yè)圖形設(shè)計、建筑設(shè)計和影視特效制作等許多領(lǐng)域，可以幫助設(shè)計師實現(xiàn)更加真實的渲染效果和更加逼真的虛擬場景，提高成品質(zhì)量和視覺沖擊力。

Imagination在其DXT GPU中還加入了多項創(chuàng)新，例如“2D雙速率紋理映射”技術(shù)，該技術(shù)能在同一時間處理兩種不同分辨率的紋理，通過智能切換紋理分辨率，在保證圖形質(zhì)量的同時，顯著提升紋理處理速度，減少內(nèi)存帶寬占用。在復雜2D場景渲染中，例如手機游戲中的角色和場景繪制，它能根據(jù)畫面元素的遠近和重要程度，動態(tài)調(diào)整紋理分辨率，近景和關(guān)鍵元素采用高分辨率紋理以呈現(xiàn)精細細節(jié)，遠景元素則使用低分辨率紋理，從而在不影響視覺效果的情況下，大幅提升渲染效率，優(yōu)化圖形處理性能。

2023 年末，為了幫助桌面和數(shù)據(jù)中心客戶實現(xiàn)高性能的云端GPU創(chuàng)新解決方案，Imagination推出了DXD GPU IP。該款GPU的創(chuàng)新之處在于首次將Imagination的API覆蓋擴展至DirectX，這一舉措顯著提升了DXD與Windows平臺上的應用程序和游戲的兼容性。同時，Imagination 的硬件虛擬化技術(shù) HyperLane 在DXD中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，該技術(shù)支持在單個GPU上安全且獨立地運行多達八個操作系統(tǒng)，這意味著當 DXD部署在服務器中時，能夠支持多達八個用戶同時進行游戲，極大地提升了服務器的使用效率，降低了云游戲的運營成本，并為云游戲行業(yè)的發(fā)展帶來了創(chuàng)新的運營模式。

時間來到2024年9月，針對全球汽車智能化的需求，Imagination推出了其算力最高可擴展至24 TOPS INT8的DXS系列GPU，該系列IP不僅為智能駕駛艙和先進駕駛輔助（ADAS）等應用所需SoC帶來澎湃的算力，而且轉(zhuǎn)為諸如汽車處理器等對安全性要求極為嚴苛的應用，開發(fā)了結(jié)合GPU的計算模式特點并大幅降低成本分布式功能安全機制（DSM），這為汽車和工業(yè)等越來越多需要GPU的圖形處理能力和計算能力的電子系統(tǒng)帶來了巨大的創(chuàng)新。

通過引入DSM機制，Imagination DXS GPU能以比鎖步或者功能備份等功能安全機制小得多的資源開銷實現(xiàn)ASIL-B級別的功能安全，這在降低了高昂的成本的同時還提升了效率。采用DSM分布式安全機制的DXS GPU已經(jīng)通過嚴格的ASIL-B認證，汽車SoC開發(fā)商僅需增加大約10%的芯片面積就實現(xiàn)了功能安全，如果結(jié)合該公司的HyperLane硬件虛擬化技術(shù)，還能大幅度提升這些汽車SoC的計算性能和效率。以自動駕駛系統(tǒng)為例，DXS能夠?qū)崟r、安全地處理海量的傳感器數(shù)據(jù)，而HyperLane則通過虛擬化技術(shù)隔離數(shù)據(jù)和處理過程，在確保系統(tǒng)的安全性和可靠性的同時，為自動駕駛芯片的創(chuàng)新提供了堅實的支持。

集大成的D系列收官之作：DXTP 融合創(chuàng)新服務端側(cè)AI

新推出的Imagination DXTP GPU是其D系列的巔峰之作，匯聚了前代產(chǎn)品的眾多優(yōu)點。它不僅繼承了DXT系列GPU的圖形處理能力和能效優(yōu)勢，例如“2D雙速率紋理映射”技術(shù)，還融合了DXS系列的計算能力和能效優(yōu)勢，包括用于AI加速的大容量本地內(nèi)存。在能效方面，DXTP GPU表現(xiàn)出色，在常規(guī)圖形工作負載下，其功耗效率（FPS/W）比前一代產(chǎn)品DXT提升了高達20%。在端側(cè)AI應用場景中，這一特性對主控SoC尤為關(guān)鍵。以智能家居為例，搭載DXTP的芯片可以利用大容量本地內(nèi)存快速存儲和處理AI模型數(shù)據(jù)，用智能攝像頭去實時識別畫面中的人物、物體，還能借助DXTP的高性能計算能力對識別結(jié)果進行快速分析，例如判斷是否有異常行為等，然后及時向用戶推送警報信息，極大提升了智能家居主控SoC的智能特性和響應速度。DXTP GPU卓越的能源效率使其能夠在相同的功耗預算下實現(xiàn)更高的幀率（FPS），這使得下游相關(guān)方能夠在不影響電池續(xù)航的前提下，為終端用戶帶來更先進的圖形處理體驗和計算功能。DXTP GPU為SoC芯片設(shè)計公司帶來兩個方面的創(chuàng)新：首先是“利用率”顯著提升，它能將理論上的TFLOPS高效轉(zhuǎn)化為實際的FPS，實現(xiàn)了極高的效率，同時將功耗浪費降至最低。其次是DXTP GPU提供了芯片資源使用靈活性，它能夠處理圖形或AI工作負載，或者同時處理這兩種計算需求，因此在AI功能已成為智能手機等設(shè)備差異化競爭的焦點的今天，DXTP能夠支持在GPU上無需額外的芯片面積來專門用于AI處理，也不會犧牲用戶界面或游戲體驗，這體現(xiàn)了對芯片資源的高效靈活利用。

搭載DXTP GPU的新一代SoC已在設(shè)計之中

DXTP GPU提供DXTP-48-1536和DXTP-64-2048兩種配置，兩款產(chǎn)品均已經(jīng)向芯片設(shè)計公司出售了授權(quán)，因此預計搭載該GPU的SoC將很快可以提供給系統(tǒng)廠商使用。其中，DXTP-64-2048在1GHz的運行頻率下，具備64 GPixel/s的處理速度，能夠?qū)崿F(xiàn)2 TFLOPS的FP32、4 TFLOPS的FP16以及8 TOPS的INT8峰值計算性能；DXTP-48-1536同樣具備48 GPixel/s的處理速度、1.5 TFLOPS的FP32、3.0 TFLOPS的FP16和6 TOPS的INT8性能。在功能特性上，DXTP引入全新的靈活任務調(diào)度機制。該機制可實時監(jiān)測各個任務的狀態(tài)和資源需求，依據(jù)任務優(yōu)先級和實時需求動態(tài)分配計算資源。當同時運行圖形渲染和AI計算任務時，能合理分配資源，確保系統(tǒng)高效運行，提升整體性能和響應速度，進一步提高能源利用效率，有力推動邊緣AI應用發(fā)展。

DXTP 的均衡架構(gòu)設(shè)計同樣是一項創(chuàng)新。這種架構(gòu)通過優(yōu)化渲染計算的吞吐量，相較于前代產(chǎn)品實現(xiàn)了高達50%的性能提升。通過擴展緩存容量和系統(tǒng)級帶寬，DXTP 構(gòu)建了更高效的通道，能夠更有效地替代 GPGPU 完成各類復雜計算工作，完成數(shù)據(jù)存儲和傳輸。在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集時，緩存能夠暫存頻繁訪問的數(shù)據(jù)，從而減少讀取時間；而更高的系統(tǒng)級帶寬則確保了數(shù)據(jù)在不同組件間快速傳輸，有效避免了傳輸瓶頸。無論是實時渲染大型3D游戲，還是處理AI計算任務中的海量數(shù)據(jù)，DXTP 都能憑借其架構(gòu)優(yōu)勢高效且穩(wěn)定地執(zhí)行。此外，借助Imagination的低開銷HyperLane技術(shù)，DXTP支持完全安全的GPU多任務處理，可同時運行圖形和計算任務，極大地提升了系統(tǒng)靈活性。例如，在智能汽車場景中，車輛行駛時，DXTP 一方面要負責渲染高精度的 3D 地圖，為駕駛員提供清晰直觀的導航界面，實時呈現(xiàn)路況和周邊環(huán)境信息；另一方面，還要同步處理來自多個傳感器的 AI 計算任務，如對攝像頭捕捉到的圖像進行實時分析，識別行人和其他車輛，以輔助自動駕駛決策。這兩項任務對計算資源的需求都很高，且對處理的及時性和準確性要求嚴格，DXTP 憑借 HyperLane 技術(shù)，能將圖形渲染和 AI 計算任務高效分配到不同的虛擬環(huán)境中，讓它們互不干擾地穩(wěn)定運行，保障了駕駛過程中的安全性和用戶體驗。

生態(tài)合作創(chuàng)新支持開發(fā)者更方便完成設(shè)計并復用成果

Imagination不僅在硬件技術(shù)上不斷創(chuàng)新，還積極構(gòu)建豐富的軟件生態(tài)系統(tǒng)，推動 GPU 技術(shù)的廣泛應用，展現(xiàn)了其全方位支持芯片設(shè)計企業(yè)及其用戶去實現(xiàn)創(chuàng)新的能力。Imagination與Android和Linux生態(tài)系統(tǒng)緊密協(xié)作，致力于挖掘GPU的計算潛力。通過與這些主流操作系統(tǒng)的深度整合，Imagination為開發(fā)者打造了一個更加便捷、高效的開發(fā)環(huán)境。同時，Imagination為開發(fā)者們提供了豐富的創(chuàng)新資源和強大的工具，包括定期更新的驅(qū)動程序、詳盡的指南和示例代碼，支持OpenGL/ES、OpenCL、Vulkan等多種標準。開發(fā)者可以根據(jù)項目需求選擇最合適的開發(fā)框架，從而提升開發(fā)的靈活性和效率，為創(chuàng)新應用的開發(fā)提供了有力支持。在圖形處理、GPU計算和人工智能領(lǐng)域，Imagination與UXL基金會開展合作，利用其oneAPI等開放標準支持開發(fā)者去降低創(chuàng)新門檻并充分復用創(chuàng)新成果。例如通過結(jié)合使用Imagination的OpenCL工具包，相較于開源人工智能方案，能夠?qū)崿F(xiàn)高達4倍的人工智能應用性能提升。這一合作成果為人工智能開發(fā)者提供了更加強大、高效的開發(fā)工具，加速了人工智能應用在GPU上的開發(fā)和部署，推動了人工智能領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。Imagination還擁有一系列功能豐富的開發(fā)者工具，可用于性能分析與調(diào)試，同時還提供帶有示例和指南的軟件開發(fā)工具包（SDK）。這些工具和SDK可從開發(fā)者門戶網(wǎng)站下載，并且已經(jīng)被眾多游戲工作室長期使用。Imagination的開發(fā)者社區(qū)充滿活力，便于分享經(jīng)驗、解決問題。社區(qū)活動和競賽激發(fā)創(chuàng)新，技術(shù)交流讓開發(fā)者掌握最新動態(tài)，而競賽則促進了思想交流和應用創(chuàng)新，營造了一個充滿創(chuàng)新活力的生態(tài)環(huán)境。

通過前面介紹的這些創(chuàng)新產(chǎn)品、技術(shù)和生態(tài)舉措，可以發(fā)現(xiàn)Imagination一方面致力于從算力指標、整體功耗、芯片面積、功能安全和架構(gòu)均衡性等基礎(chǔ)性能上挖掘性能極限正在重新定義GPU，另一方面還在架構(gòu)靈活性、用戶體驗、特色功能和AI支持能力等產(chǎn)品特色功能上支持SoC設(shè)計企業(yè)及其用戶去引領(lǐng)或者適應新的商業(yè)模式，第三還聯(lián)合產(chǎn)業(yè)內(nèi)外各類創(chuàng)新主體攜手推動這些技術(shù)更快轉(zhuǎn)化為智能化轉(zhuǎn)型的強大動力，共同去引領(lǐng)邊緣AI時代的創(chuàng)新發(fā)展。在邊緣AI快速發(fā)展的今天，Imagination在GPU領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新，不斷為SoC設(shè)計企業(yè)帶來可以引領(lǐng)市場的全新功能，還為整個圖形計算和人工智能計算在端側(cè)智能領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機遇。