十五年來最強？解析Imagination全新A系列移動GPU

張平

Imagination是業內傳奇的GPU公司之一，從2008年開始，旗下移動GPU產品在很長一段時間幾乎代表了移動SoC圖形技術的巔峰。好花不常開，好景不常在，隨著產業進步、市場競爭和變化，Imagination的產品逐漸在市場中銷聲匿跡。尤其是蘋果在2017年宣布不再使用Imagination的授權后，Imagination一落千丈，空有技術而找不到市場，最后被中資公司股權收購。不過，近期Imagination又發布了全新的A系列移動GPU產品，并且市場上又傳出消息稱蘋果再度和Imagination聯手移動GPU。那么，Imagination A系列GPU究竟如何？又有哪些獨特之處呢？請看本文給你帶來的詳細分析。

Imagination是GPU市場的“老玩家—了，在個人PC發展的初期，Imagination就曾經和ATI、英偉達在市場上扳過手腕，不過由于技術路徑、市場策略等原因，Imagination在2000年宣布放棄了桌面市場，全面轉向超低功耗領域，并終于在2006年之后的移動計算市場大放異彩，借著蘋果iPhone的東風，成為移動計算市場的GPU霸主之一。

早期的移動計算市場在架構和技術路徑上的競爭還是頗為激烈的，除了有Imagination、ARM這樣的巨頭外，還出現了Vivante這樣的小廠商提供相關GPU授權，也有一些廠商嘗試自研GPU架構或者授權GPU架構，典型的比如英偉達和AMD，都有自己的移動GPU部門或者授權定制的產品。隨著市場的進一步發展變化，移動GPU市場基本呈現寡頭化的態勢。2015年，主要采用Imagination技術授權的蘋果、ARM的Mali以及高通的AdrenoGPU三足鼎立，這也是Imagination最為輝煌的時候。隨后的2017年，蘋果宣布和Imagination解約并開啟自研移動GPU的道路，同時像高通、三星、華為等廠商要么已經自有頂尖的移動GPU，要么表示有自研移動GPU的必要，這意味著移動GPU市場發生了重大變化，甚至有可能回歸到之前的“戰亂時代”。

全新A系列GPU：有史以來最快的GPU IP

在這種情況下，Imagination公司發布了全新A系列移動GPU產品。Imagination宣稱這次發布堪稱公司15年發展歷史上最重要的GPU產品和IP發布。新產品的定位也非常明確，扭轉Imagination在移動GPU市場上份額持續損失的趨勢，并且使得使用Imagination GPU IP的廠商重新占領移動GPU的性能巔峰。

A系列GPU是Imagination的第十代產品。在品牌使用上，Imagination將放棄之前使用多年的PowerVR，轉而使用字母和數字命名的方式。使用這種方法的原因是Imagination希望市場徹底改變對旗下產品的看法，并樹立一個全新的技術起點。當然，在一些技術場合，Imagination可能還會使用PowerVR的名稱，尤其是其在專利的、基于圖塊的延遲渲染技術方面。新產品的名稱采用的是A+“系列后綴”的方式完成，比如頂級的產品依1日被稱為XE系列，中端和入門級依次被稱作XM、XT系列。組合起來就有AXE、AXM和AXT等多款產品。

在本次發布會上，Imagination帶來了AXT、AXM和AXE系列，當然其中的主角是AXT系列，AXM和AXE系列是進一步精簡的版本。性能方面，Imagination宣稱AXT比第九代類似定位的產品快2.5倍。需要注意的是，Imagination并沒有在不同代次的XT系列GPU之間進行精確的對比，而是和“市場上廣泛使用的”第九代XT系列型號進行對比。不過，考慮到目前市場上根本沒有公開宣布的第八代和第九代8XT或者9XTP產品，這樣的對比顯得有些空洞，但這依1日是新品性能對比時可以選擇的唯—方法。據悉，Imagination采用的對比對象有可能是聯發科Helio P90中所采用的GM9446，這款移動GPU架構基于較老的Rogue，具有一定可比性。值得一提的是，在性能對比方面，Imagination希望A系列產品的性能、面積等參數更為透明，并且在性能基準和上代產品對比上更為容易，供應商都可以據此獨立驗證和比較性能指標。

架構方面，A系列架構的改進主要包括了GPU計算單元的重新設計和ALU架構的大幅度調整，Imagination宣稱新的架構帶來了4倍的性能提升、8倍的AI計算效能提升和在維持同等性能的基礎下擁有了60%的功耗降低。

本次發布會上，Imagination發布了四款新品，其中兩款型號為AXT系列，兩款為進一步精簡版本的AXM系列。在產品命名上，Imagination米用了非常直觀、獨特的命名方式。以本次發布的頂級產品AXT-64-2048為例，這個名稱意味著這款GPU在每個時鐘周期可以完成64個像素計算或者2048個FP 32的計算。因此，在1GHz的GPU頻率下，其最大計算性能為圖形2TFLOPS，AI計算采用的是INT8格式，因此其性能是FP32的圖形計算能力的4倍，為8TFLOPS，另外，整體填充速率為64 Gigatexels/s。值得注意的是，Imagination在產品宣傳中不再使用的Gigapixels/s的單位，轉而使用更容易理解的Gigatexel/s單位。做出這樣改動的原因是因為部分用戶會混淆紋理圖案率的含義，因此這里改用Gigatexels/s，更為清晰且容易理解。

除了AXT-64-2048外，Imagination還發布了AXT-32-1024、ATM-8-256、AXE-1-16等產品。其中AXE-1-16采用了一個單獨的自定義結構。實際上，從命名就可以看出不同型號的產品的性能檔次和基本的產品區間了。Imagination認為AXT-32-1024將會成為中高端移動SoC的最佳選擇，至于性能更強的AXT-64-2048，則有機會出現在更大尺寸的設備之中。

全新的ISA和ALU：一個更寬的GPU架構

在看完型號后，再來看看相關的架構設計。和前文所說的一樣，全新A系列GPU在架構設計上尤其是ISA和ALU上和之前的Imagination GPU結構存在根本的不同，并且和其他任何公開披露的GPU架構都存在很大差異。

全新ALU設計的關鍵點在于，新的架構比之前Rogue架構和Furian架構的寬度更寬，每個集群的密度高達128個執行單元，因此Imagination稱之為128寬度的架構。

從之前的架構發展來看，Rogue架構的波前陣列的寬度為32，但是單個SIMD寬度僅為16，因此Rogue需要2個周期才能完成一個32寬度的陣列的執行。在8XT的Furian中，SIMD的寬度擴大到了32寬，一個周期就可以完成32寬度波前數據的執行，在9XT的架構中，SIMD的寬度進一步提升到了40單位。

和其他移動GPU橫向比較來看的話，像是ARM最新發布的架構中，SIMD寬度也大幅度提升，從之前Mali-G72的4個單元增加到了新的G76中的2個4單元的模塊，也就是實際上8寬度的設計更新一些的Mali-G77中，SIMD計算單元的寬度被進一步提升至16，并且ARM還涉及了與之匹配的波前陣列。除了移動GPU之外，在桌面GPU方面，英偉達的GPU采用的一直都是32寬度的波前陣列，AMD方面則從之前4x16寬度ALU、匹配64寬度的波前陣列轉向了32寬度的SIMD和波次，AMD在此處的設計也比較靈活，當兩個ALU集群或者CU單元聚合在一起的時候，可以執行64寬度的波前并實現向后兼容。

通過比較可以看出，Imagination的新設計相比目前所有的GPU方案來說，都要寬數倍，這也是迄今為止在商業GPU設計中最寬的SIMD方案。從技術角度來說，為了更高的效率，人們一般會選擇一個合適的SIMD寬度并匹配相應的控制單元。更寬的SIMD雖然能夠在一個周期內處理更多的數據，但是如何將更多的線程有效的捆綁在一起，并使得所有計算單元保持忙碌狀態，是其中的難點所在。為了解決這個難題，A系列的設計也做了相應的更改，對ISA和ALU做出了極大的簡化。

和Rogue架構相比，新的A系列將執行單元從兩個MADD乘加單元簡化為僅有一個MADD單元。在之前的第八代架構和第九代Furian架構中，這樣的設計也曾出現過，但當時Imagination在MADD單元邊還保留了一個輔助的MUL單元，不過在新的A系列架構上，MUL單元都已經被精簡掉了o

Imagination給出了進入MADD單元的三個箭頭，代表了用于存儲操作數據的三個寄存器源，其中2個用于乘法，1個用于加法，和之前的Furian架構的MADD單元的ISA相比，新的A系列加入了一個額外的乘法寄存器源。

實際上，Imagination新的架構，是從面向指令集并行的ILP架構的設計轉向了最大化線程級并行TLP架構的設計，并且付出了巨大的努力。在這方面，AMD在從之前的4D架構轉向GCN架構時曾做過類似的工作，當時AMD從ILP的繁重設計中過渡到GCN這類幾乎完全受到TLP約束的架構，并得到了性能的大幅度提升。

根據一些消息，由于簡化了指令和相關執行部分，轉向“大規模”TLP架構帶來的更高的ALU利用率，大幅度提高了芯片中ALU的實際占比密度，同樣也帶來了每平方毫米性能的提升。自然的，相對應的是芯片面積的降低和消除冗余晶體管等，這都帶來了功率效能的提高。

進一步深入的話，在著色器方面A系列GPU也有頗多創新。Imagination還給出了一些資料用于介紹整個A系列著色器的工作流程。這些資料顯示，在一個典型的著色器工作流程中，從根據內存中的命令隊列啟動的數據主機開始，3D數據母版開始預處理其它的固定功能，然后觸發著色器程序執行隱藏表面的移除和工作量生成。接下來GPU將會把一些三角形組合在一起成為一組任務，以便更好地填充波前陣列所需要的128寬度以及更好地利用ALU。

另外，可編程數據定序器也就是PDS擁有資源和管理器的分配的功能。PDS可以為工作負載保留本地寄存器空間，并且在任務分配給線程時管理任務。PDS能夠將即將到來的線程進行數據預取或者預加載至本地內存，一旦線程數據可用，它就開始標記活動槽，并由指令調度程序和解碼器將活動槽進行分派并解碼，再送入執行單元。

除了之前介紹的主ALU外，A系列架構還擁有輔助ALU。尤其值得注意的是，Imagination在設計中為整數和按位運算等功能設計了單獨的執行單元，這些單元雖然在執行上是分開的，但是和浮點單元共享相同的數據路徑，因此會和浮點單元以排他的方式運作，也就是要么使用這個要么使用那個。這些整數單元的作用是提高AI計算效能，并且具有四倍速率的INT8吞吐能力。在速度上，輔助ALU管道以1/4的速度運行，因此每個周期并行執行32個線程。從某種意義上講，Imagination的這種設計和ARM在Mali-G76、Mali-G77上的整數乘積指令NN的功能非常相似。不過Imagination沒有詳細說明這種設計可行性。

此外，一些更復雜指令也可以在專用的單元上獲得較好的執行效果，比如數據移動、數據轉換、迭代器、原子操作等。

固定功能的更改和GPU的可伸縮性

在更高的層級，可以看到A系列GPU設計的架構總圖。從圖中可以看出，A系列GPU在架構布局上和之前的PowerVR GPU相似度很高。圖中顯示ALU依1日占據最大一部分面積，被稱為usc也就是unified shading cluster也就是統一渲染簇。usc以及各種其他固定功能塊又容納在SPU或者著色器處理單元中，通常被稱之為“核心”。

每個SPU在當前的配置中包含2個USC，這意味著最終一個SPU中將有2個1 28寬度的ALU集群。所有的AXT配置都是這樣的。但是，更低端一些的AXM-8-256單元只有一個USC，是其中的例外。實際上，AXT-16-512是帶有完整SPU的最小配置方案了。

每個SPU都擁有自己的幾何流水線以及最多2個紋理處理單元。A系列繼承了Fu rian架構的TPU的吞吐量設計，這意味著每個該模塊的每個時鐘周期都能夠采樣8個雙線性濾波紋理像素。A系列現在每個SPU的容量增加了一倍，并且AXT型號具有2個TPU，從而使總紋理填充率達到每個SPU每個時鐘周期16個。

A系列的紋理單元微架構也做出了重大調整。Imagination宣稱新架構的一個重大改進來自于LO緩存的處理和位置信息。LO緩存在紋理化工作流程中，被重新定位在處理和過濾階段之間，這樣可以使得LO緩存保留處理階段的輸出，并實現Imagination所謂的大量數據的復用，因為不需要每次都對像素進行重新處理。鑒于在各向異性過濾處理期間可能要對紋理采樣的次數，因此這樣做的優勢應該還是比較明顯的。

Imagination還談到了如何大大改善新架構各向異性過濾的質量。在使用傳統的紋理隧道的一組比較截圖中可以看出，Imagination的新的各向異性過濾更接近角度獨立，這也是ANISO過濾的理想結果，反之則是角度依賴的過濾。有趣的是，Imagination聲稱即使使用更少的樣本也可以實現這種改進后的角度獨立性過濾，但是Imag.nation沒有說其中具體的實現方法。總的來看，新的紋理架構設計有助于提高計算效率和硬件密度，但是由于目前A系列和比較老的Rogue系列進行對比，因此不是很確定A系列是否能夠相對第九代9XM依1日能夠獲得如此顯著的i生能和特性優勢。

固定功能單元的另一個變化是像素管線。盡管從表面上看，X系列和我們之前在Furia n上看到的相比吞吐量沒有任何變化。但是實際上A系列具有2個PBE單元，每個PCE每時鐘周期可以吞吐4個像素，因此每個SPU每周期可以處理8個像素。此外，每個核心中還有更多的設計，包括前核心和后核心，因此每個周期可以處理16個像素混合，不過在1：1的像素和紋理上，只能每周期處理8 PPC。總的來看，Imagination的新設計使得紋理吞吐率提高了一倍，同時又保持了穩定的像素吞吐率。這意味著新的A系列產品和其他廠商的設計保持了一致，像素和紋理填充率則維持在了1：2的水平。

在Alpha操作上，Alpha操作現在是在像素管線的專用硬件單元上完成的，不再使用ALU資源，通過固定功能引薦，可以改善心梗并且允許全速率的FP16操作，并且解放ALU，使其可以將計算資源用在其他更需要的地方。此外，這樣做還提高了硬件效率和芯片密度，改善了電源情況。

值得注意的是，對于AXM系列的產品，Imagination使用定制的固定功能單元提高面積利用率，而不是簡單縮放單元。

GPU規模：進一步擴大

由于Imagination設計了SPU模塊，這是整個GPU中最基本的模塊，因此可以通過簡單的搭載更多的SPU模塊來擴大GPU的規模并提高性能。

Imagination給出了四款配置模式，分別使用1、2、3、4個SPU，對應了ATX系列下的四個不同的型號。值得注意的是，AXT下SPU擴扎的型號，其紋理、FLOPS均以16-512為倍數發生。其中32-1024的規格是比較適合高端智能手機的，48-1536可以在較低的時鐘頻率下提供較高的計算能力。而最強大的AXT-64-2048則是規模最大也是性能最強的GPU，如果有意向客戶的話，Imagination可以幫助客戶構建這個巨大的GPU。

橫向對比來看的話，AXT-16-512這種單個SPU、2個USC的配置和之前幾代類似配置相比，A系列的確存在巨大的體系結構變化。雖然相比9系列，A系列增長沒有4倍之多，但是512FLOPSXj比9XTP的240FLOPS，這也是超過2倍的性能提升。

另外值得注意的是，Imagination的A系列構建的基礎模塊體積就已經很大了。比如AXT系列的SPU要比Mali-G77大很多，后者性能僅為64FLOPS以及每周期像素填充率僅為2，因此AXT的一個SPU大概類似于Mali-G77 MP8方案。相對應的，就每平方毫米性能和功率效率而言，幾個大核心和大量的小核心相比，總是幾個大核心更占優勢，正如蘋果和高通的多核心設計那樣。

新的多任務和安全特性：HyperLane技術

A系列GPU的另一個特性是支持Imagination的HyperLane技術。這項技術的特點是在多任務和安全性上大大擴展了該體系的靈活性。此外，Imagination在GPU虛擬化上也有獨特的創新，這使得它能夠在汽車設計等領域有著自己的優勢。

HyperLane技術是虛擬化技術的擴展，在單個GPU執行任務時的分離能力上更勝一籌。在渲染流程中存在一些不同類型的主控制器，每種控制器都會將工作負載分配給GPU。比如幾何部分由幾何主數據處理，像素部分由3D主數據處理，2D則交給2D主數據部分，其余流程還包括計算和工作負載主數據。針對以上每個主數據，GPU各個模塊對于給定的任務都是活動的，其他的模塊保持空閑狀況。

目前的消息顯示，在HyperLane功能的輔助下，GPU硬件能夠實現完整的任務并發，多個數據主機都可以同時處于活動狀態，因此可以跨GPU的硬件資源來動態執行工作任務。這使得GPU具備了多任務處理能力，可以從多達8個來源接受不同的任務提交。不僅如此，每個HyperLane都可以配置自己的虛擬內存空間，也可以實現共享任意的內存空間。在任務分配方面，既可以根據塊來分配不同的任務，也可以根據時間片來進行HyperLane，之間的共享，還可以給與HyperLane優先級，使得更重要的任務可以占用更多資源或者更快完成。

在安全特性方面，Imagination加入了隔離受保護的內容和權限管理等功能，能有效保證一個設備內部的信息安全和可靠。此外，在特色功能上還值得一提的是，Imagination在A系列產品上集成一個小型專用CPU（架構可能基于RISC-V），這個CPU本來是用于處理GPU管理任務或者充當固件處理器。一般來說，其他的體系結構中，GPU是受主CPU驅動而工作的，但是A系列的這顆固件處理器甚至可以實現各種管理控制任務和操作處理等，包括調試GPU、數據記錄、DVFS算法等。這樣的設計還很少看到，可能在快速調試和優化3D負載方面有比較顯著的作用。

面積性能比：持續優化

面積性能比是SoC設計中最重要的一部分。如果能夠以更小的面積獲得更高的性能，那將顯著節約最終的生產成本等。Imagination帶來了一個比較有趣的對比，以驍龍855和Exynos9820為例，前者使用高通自家優化定制的Adreno GPU，后者則使用Mali系列。一個鮮明的數據對比是，在GPU性能相當的情況下，通過面基性能優化，高通使用100%的面積，完成100%的性能。但是同等性能在三星處理器上，需要184%的面積。

不過這里存在一個疑問，那就是這兩顆處理器并沒有采用完全一樣的工藝。高通采用了TSMC的7nm工藝，三星則采用了自家的8nm工藝。不過Imagination給出了另一個角度的對比，那就是都采用A系列GPU完成同樣的性能，比如都采用AXT-16-512實現，對比圖可以看出，A系列產品在同等性能下所需的芯片面積更小，其面積性能比更為出色。

當然，客戶也可以選擇更大的AXT-32-1024來實現同樣的性能。但即使如此，依舊比ARM Mali系列所占面積更小，在合理的頻率下甚至能獲得75%的性能優勢。或者維持同樣的性能，但同時將帶來極高的電源效率。

值得慶幸的是，Imagination雖然選擇了比較老的驍龍855進行比較，但是由于其面積性能比的優勢過于巨大，即使面對全新的驍龍865，Imagination的A系列產品也優勢滿滿。當然，目前這些數據都來自于Imagination，具體到實際產品上會怎么樣，還得看未來的產品發展。

Imagination的未來之路

Imagination帶來的全新A系列有著出色的性能，如果一切順利的話，它將給業內帶來深遠的影響。

Imagination的工作當然不會止步于此。在發布會上，Imagination還帶來了未來的路線圖，在A系列之后，2020年Imagination將發布B系列，隨后的C系列、D系列，相比現在的產品，Imagination希望每年都帶來一些性能提升和更新，尤其是性能，Imagination希望以1.3倍或者30%的年復合增長率提升，這是一個頗為龐大的目標。

進一步來看，Imagination的A系列將在2020年早期推向市場，具體產品可能會在2020年下半年出現。另外，B系列的研發也很順利，應該在2020年夏天完成并適時發布。具體客戶方面，幾大巨頭中，目前Imagination還沒有固定的客戶資源，只有一些較小的SoC廠商，比如RockChip、紫光展銳等。至于華為等廠商，依舊存在極高的商業或者其它門檻，Imagination可能很難進入。目前Imagination最大的勝利在于聯發科，近幾年聯發科在ARM Mali和Imagination之間搖擺，如果Imagination能夠固定下來這個大客戶那么將帶來很不錯的市場期望，尤其是在聯發科努力沖刺高端市場的今天，Imagination出色的面積性能比將帶給聯發科更為優秀的成本和市場表現。

長遠來看，隨著半導體工藝逐漸逼近極限，制造工藝的技術難以維持之前快速發展的態勢，這就對半導體架構設計提出了更高的要求，通過更優秀和完美的架構設計，應該能在一定程度上對沖工藝進步緩慢的問題。Imagination的A系列似乎是這種變化的完美典范，相比之前的產品，A系列帶來了Imagination在移動GPU上的世代跨越，如果能夠在商業實現上獲得成功，這將是Imagination-個難得的轉折點，也不枉Imagination將其視為公司發展歷史上最重要的產品，畢竟，這就是未來。