【省流总结】手机GPU和PC显卡有何不同？小芯片为何能玩大型游戏

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摩尔线程、象帝先、芯动科技：是的孩子们，这个我们很熟悉

这里就解释了摩尔线程为何用IMG的POWERVR上PC端根本就不好使的原因了

github.com/Swung0x48/TriangleBin

超分其实也是很重要的一个迭代，不过即使是GCN的显卡也能享受到优化

不过从本期来看确实也证明了IMG POWERVR的移动端GPU和桌面端GPU的设计思路的区别以及生态的分裂，拿着移动端GPU架构并不能直接改出能用的桌面CPU

所以还是扣1复活S3扣2复活3DFX扣3复活SIS吧，至于指望IMG或者图芯之类的还是拉倒吧

字幕提取：

今天在座的不少同学

可能已经习惯了在你的手机上玩游戏

你可能已经觉得

这个手机这么一个小身板

哪怕能运行3A大作

那也是理所当然的 是吧

哎 但是你知道吗

在十几年前

手机刚刚引入大型游戏的时候

比如当年的《无尽之剑》问世的时候

很多玩家看到那个画面

真的是难以置信的

就我作为一个多年的PC玩家

我完全不敢相信

就凭手机里这么一颗小芯片

它是怎么跑动那些大型游戏的呢？

其实你不知道

当年的GPU业界的工程师

为了让你在掌心上也能体验到游戏的乐趣

可谓是煞费苦心了

那他们到底做了些什么呢？

手机GPU和电脑显卡的GPU

从设计思路上有什么根本性的不同呢？

今天我们就来好好跟大家聊一聊这里边的故事

首先我们要知道

其实目前手机和PC的GPU

几乎所有的不同

根本上都来自一个在移动端发扬光大的渲染技术

TBR

中文翻译过来

就是“切片式渲染”

之前我们在视频里已经简单聊过TBR

它起到的作用

就是提前把要渲染的整张画面分成很多很多片

然后再让显卡来处理

那么问题来了

移动端为什么要这样渲染呢？

哎 展开说的话

就得说好久了

我们首先就得提到一个在手机GPU领域

如雷贯耳的名字 —— PowerVR

玩机玩得久的同学一定听说过PowerVR这个名字

它是曾经的行业巨头 Imagination公司

推出的GPU品牌

PowerVR最早做的是游戏厅的街机GPU

90年代中期才进军PC显卡

在那个显卡行业勃勃生机万物竞发的年代

PowerVR曾经也是和

3dfx的Voodoo、NVIDIA、ATi、S3等众多显卡厂商

掰手腕的一员

与此同时

他们的GPU也被世嘉相中

用在了Dreamcast游戏机里

PowerVR之所以能混得风生水起

主要就是因为

他们在GPU行业里有着一个独到的技术创新

这个技术就他家在做

什么样的技术呢？

勤俭持家的技术

核心就是我们上面提到的TBR

我们先来看看NVIDIA和ATI这些传统GPU

是如何渲染的

传统的3D显卡渲染游戏

用的是“直接渲染”的管线

我们叫做IMR

Imediate Rendering

它具体是怎么工作的呢？

我们一步步来看

首先 游戏运行的第一步

CPU会告诉显卡需要绘制什么东西

比如你要绘制一个立方体

或者绘制一个角色

这些指令通过图形接口和显卡驱动来传递

它里面会包含物体的三维坐标

顶点连接关系等等重要信息

这些数据会被存在显存里面

等待显卡来处理

接下来

GPU的顶点着色器

会把物体的三维坐标“翻译”成屏幕上的二维投影

相当于从某个角度去看一个三维模型

然后把它拍成一张平面的图片

有了二维投影之后

GPU需要把它切割成无数个小格子

也就是屏幕上的像素

这个切割过程叫做“光栅化”

光栅化完成后

GPU还要决定每个像素的具体颜色

是什么样的颜色？

这个时候呢

像素着色器会根据物体的材质啊

纹理贴图以及光照效果

计算出每个像素该显示的颜色

最终

所有像素的颜色都确定好后

这些数据会被写入帧缓冲区

等待显示器的读取

然后就能展示出一帧完整的游戏画面了

在这样一条 IMR 管线里

其实会存在一个问题

就是GPU和显存之间的数据交换非常频繁

尤其是在后半段像素着色的时候

有大量数据需要在显存和GPU间来回传递

这就带来了两个大麻烦

一是显存带宽不够用了

二是显存功耗会非常高

对于旗舰显卡来说

它的显存给得够大够宽

可能就完全不介意

但是对于入门级显卡

包括街机 游戏机 移动设备

还有各种各样对成本敏感

对空间和散热敏感的产品来说

没钱没空间塞显存

就很难喂饱吞吐量巨大的 GPU

那你想

PowerVR多年来就是在耕耘街机游戏机这些市场

他们要是没点绝活

怎么可能混得好呢？

人家的GPU最擅长的就是花小钱、出小力、办大事

为了做到这一点

PowerVR从1995年起

率先引入了一种全新的渲染技术

就是我们前面讲到的TBR

相比传统的IMR直接渲染

这个TBR就非常不一样了

怎么个不一样法呢？

想象一下

你现在是一个画家

你要画一个大画布

但是你不直接一笔画完整个画布

而是把它切分成很多小块

每一小块单独画

这就是TBR的核心思想

在传统的IMR管线中

整个场景的数据都要一次性送往显存

但在TBR中

屏幕被切割成了很多小“块”

这个我们业内称作Tiles

切片

你可以把这些Tiles想象成一个个小“存储箱”

每个箱子里都存放着和这个区域相关的几何信息

然后为了避免浪费资源

TBR管线里也会用到另外一些技术

比如HSR

来先计算物体之间的遮挡关系

判断哪些部分在视野中是不可见的

被挡住的部分嘛

就没必要去计算了 对吧

减少一些工作量

接下来

TBR会在每个Tile内部进行光栅化和着色

这里最大的不同是

在现代GPU引入缓存机制之后

因为都切成小块了

所以Tile上着色完的像素信息

是用不着立即传输到显存的

而是可以保存在GPU内部的缓存中

在需要的时候就能低延迟地调用

再接下来

执行完透明度测试和后期深度测试后

GPU才把这个 Tile 渲出的一小块画面

从缓存

送进显存的帧缓冲队列里面

整个过程下来

TBR就可以节省海量的传输消耗

虽然切割Tile这件事情本身

也要消耗一些额外的资源

但和节省下来的性能功耗比起来

往往还是值当的

另外 TBR还有一个特别的优点

就是它对诸如MSAA这样的抗锯齿技术非常友好

通常情况下

开启抗锯齿会增加显存占用的

比如4xMSAA的话

你就需要在显存上

对需要做抗锯齿的物体的边缘读写4倍的framebuffer

但用上TBR之后就不需要直接在显存上读写了

能省很多带宽

有了TBR跟HSR的结合之后啊

PowerVR的入门GPU

就可以用更低的规格 少得多的内存带宽

实现不逊于竞争对手中档GPU的性能

他们当时推出的KYRO架构的显卡

确实都是瞄着性价比去的

以小博大

算得上平民英雄了

可惜

进入21世纪后

显卡市场越发残酷

我们之前就做视频聊过

英伟达在1999年的GeForce 256上实现了硬件T&L

直接在性能层面降维打击所有对手

竞争之激烈

甚至连3dfx这种巨头都败下阵来

最终PC显卡行业只留下了NV和ATi两根独苗

PowerVR也是在这个过程中被淘汰了

他们除了在对硬件T&L

和最新的DX8接口的支持上慢了NV一拍之外

当时的开发者也普遍不太喜欢他们的TBR管线

可能由于驱动写得比较烂的关系

很多时候需要做额外的适配工作

然后他们显然也做不到跟NV正面硬刚性能

所以无奈之下

PowerVR只能退出了PC显卡市场

此处不留人

自有留人处

PowerVR的这个TBR技术

用在成熟的桌面显卡市场大家不愿意去配合

那如果用在一个不成熟的新市场

本来就没有标准

是不是一开始就能被大家接受呢？

哎 这一次

PowerVR就瞄准了一个从来没人挖掘过的新方向

就是移动GPU

彼时的手机还刚从大哥大演进为彩屏呢

手机上的芯片

自然是不包含GPU的

毕竟以当时人们的认知

怎么都想不到

手机为什么会需要GPU

但PowerVR还是很有远见的

他们做移动GPU一方面是看好便携式游戏设备

还有未来的3D手游

更重要的一方面是

他们觉得未来手机会有越来越复杂的图形界面

手机这样重交互的设备

一旦智能化起来

厂商一定会做出各种2D 3D的系统动画效果

这些交互动画会需要很多图形算力

仅仅凭借当时ARM9处理器那点CPU性能恐怕没法满足

给手机配备专用GPU绝对是有意义的

而恰好

PowerVR一直以来的杀手锏

他的TBR技术

又特别适合用在手机上

因为手机恰恰就是缺内存带宽

就是缺各种资源

就是要求低功耗

如果能把TBR结合进来

那就能以很低的成本

实现手机上可用的图形效果了

于是 在2001年

世界上第一款手机专用GPU诞生了

就是PowerVR的MBX

作为手机GPU的始祖

这家伙后来被搭载在了很多的设备上

当时手机处理器的业界标杆

德州仪器的OMAP 2420

就使用了PowerVR的MBX GPU

那使用这款芯片的最最经典的机型

就莫过于诺基亚的N95了

N95在当年是真正的旗舰机皇

我上学那会同学里有富哥买了N95的

我们都得顶礼膜拜

指望人家开恩借来玩一玩

除此之外

MBX GPU还被用在了初代iPhone上

用于支持iPhoneOS的界面动画和游戏娱乐

你看

诺基亚的塞班旗舰和苹果的全触屏新机

这两个业界标杆都先用上了GPU

这一波下来

PowerVR算是借着智能机的东风

迎来了第二春

过了几年之后啊

PowerVR又推出了SGX5系列的GPU

通过引入硬件T&L

让GPU从CPU手里接管了顶点处理和光照计算

大幅提高了性能

手机上也第一次拥有了可编程渲染管线

TBR的渲染流程也受益于此

可以更早地开始遮挡剔除的判断工作

SGX5这代GPU甚至可以说是现代移动GPU的开端

它也被用在了更多的设备里

从我们熟知的iPhone 3GS、iPhone 4、iPad 1代

再到三星初代Galaxy S

摩托罗拉里程碑等一众

采用三星和德仪处理器的安卓机

再到索尼PSV掌机

甚至英特尔的Atom处理器里

你都能见到它的身影

尤其是SGX543、544这两代

可以说相当经典

应该有不少同学以前玩机的时候也接触过

这段时间也是Imagination混得最好的一段时间

在此期间

手机图形标准也在慢慢完善

OpenGL专门为移动端做了ES标准

去适应低功耗低带宽的设备

所以其中很多优化就和TBR的特性契合上了

而其它厂商看到TBR技术很管用

也都决定跟进

像ARM的Mali GPU

从一开始就使用了TBR管线

而高通的Adreno就有点特殊了

他们最早是从ATi手里买来的IMR的GPU

但从14年的Adreno 400系开始

高通也引入了FlexRender技术

可以IMR和TBR双修

所以你看

很大程度上

正是 PowerVR 和他们发展的 TBR 技术

塑造了今天手机端的游戏渲染管线

那么又有同学要问了

既然TBR技术看起来如此多快好省

为什么当时的NV和ATI不去用它呢？

桌面端的独显不也可以受益吗？

哎 这个事情还是有点复杂的

除了我们前面讲到的PC开发者先入为主之外

TBR其实也有一些实打实的缺点的

首先啊

TBR 这一套流程能够有效执行的前提

是前面切Tiles切片来处理顶点的代价

要小于后续处理整张图片的代价

也就是说

切片行为本身不能消耗太多性能

很多时候游戏的模型做得太复杂

切片很难切

那么TBR的优势就会被削弱

PC上的游戏开发者们

并不会有意识地去考虑这件事

倒是手游开发者

在一开始就会配合TBR

比如可能会给模型减面

减少顶点数量

尽可能让TBR发挥出更高的效率

除此之外

TBR在特性上是比较依赖GPU自带的缓存的

但是像PC游戏上的环境光遮蔽啊

全局光照甚至光追这些进阶技术

往往都要借助其他数据

来协助计算现有Tile上的结果

这种时候本地缓存就没用了

因为还是要写回显存再读取出来

你就省不了一点带宽

好 聊完了理论之后啊

来给大家玩一个有意思的互动的小东西吧

这次我们也写了一个小软件来检测渲染顺序

在Windows用的OpenGL 4.X

在安卓用的是OpenGL ES 3.2

它的原理就是

在像素着色器的每次调用里

都给一个计数器加一

然后超过固定的数量就停止渲染

通过这么一个小程序

我们就可以知道你的GPU是按照什么顺序

给画面上的像素着色的了

这个小程序我们也作为一个课堂教具

大家可以自己下载下来玩玩看啊

来 你看 我们现在用的是一个桌面GPU

它在这个测试里

基本上就是 IMR 的行为

但是在细节上

其实它的处理顺序

也不是像前面讲的那种严格的

或者说典型的IMR

严格地从上往下 从右往左去着色

你看 全程看下来

也有一些分块的现象出现

不过到头来

GPU 还是按照一个个图元的顺序来处理

所以这个肯定不属于 TBR 的范畴

但是移动端的 Mali GPU

对吧 你看

这个就是根正苗红的 TBR

这一块接一块地渲染

非常典型的 TBR 特征

与此同时呢

高通的 Adreno 就有点不一样了

它似乎在这种帧缓冲比较小

条件比较简单的情况下

直接放弃了分块

转而去使用它 GPU 自带的大缓存

来直接执行类似 IMR 的步骤

看起来很豪横啊

而即使在几何比较复杂的时候

开始使用TBR之后呢

它在 Tiles 里也是先执行了类似于 IMR 的操作

而不是像 Mali 那样

先算好每个图元的可见性

再去给每个像素着色的

哎呀 这移动端都是TBR

但是各家的方案还真是有点不一样的

OK 相信你看到这里也大概清楚了

总的来说呢

TBR 是在移动端 SoC 硬件能力受限的背景下

诞生的一种丢芝麻捡西瓜的渲染策略

它的终极目标

还是让用户能在手机上顺利地玩游戏

同时 TBR的影响

也并不只是出现在手机上

这几年来 我们熟悉的桌面端显卡

从英伟达的Maxwell也就是9系卡开始

还有AMD的Vega架构开始

也引入了TBR的一些思路

比如NV的Tiled Caching技术

就是把更多数据交换留在L2缓存上

来减少显存带宽的压力

反过来说

如果硬件资源并不匮乏的情况下

那么 TBR 就不是万能解

像高通 Adreno GPU 在我们的测试里就是能伸能屈

当然前提也是它有尖端制程的大容量缓存加持

能够扛住部分 IMR 的开销

现在看起来

逐渐阔绰的移动端并没有忘记 IMR 的绝对性能

而多年来大手大脚惯了的桌面端

其实背地里也已经开始勤俭持家了

我觉得它们在技术上的更迭

其实都是为了更好地发挥硬件性能

这点是殊途同归的

说到这里

我们关于手机GPU渲染管线的科普就告一段落了

虽然有点生涩吧

但是希望大家看完能有所收获

不知道大家等会儿玩游戏的时候

会不会突然开始在意起这个画面

到底是怎么渲染出来的呢？

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