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接上篇 http://forum.eet-cn.com/BLOG_ARTICLE_11915.HTM (三) 化腐朽为神奇：图形技术 移动GPU的发展史 2011年，移动图形芯片市场的主导者是PowerVR和高通的Adreno。而这两家图形芯片厂商追根溯源在当年都是研发x86游戏产品的，可惜都以失败告终。 PowerVR无疑是最卓越的选手。因为英特尔、苹果甚至德州仪器都在使用它的技术。回到90年代，Imagination Technologies （当时还叫VideoLogic）在NEC的帮助下开始研究无限平面，延迟渲染图形芯片。PowerVR架构是第一个把延迟渲染技术应用于实际产品的架构，其中可见像素被渲染而不可见的部分则不被渲染。而在那个时代，其他显卡厂商还是采用采用传统的无论像素是否可见，都要全部进行渲染的老路子。如此以来，PowerVR可以更充分地利用内存带宽，且有效填充率也更高。 然而PowerVR最大的问题则是它的团队主要是由极富远见的数学家和工程师组成，但是缺乏芯片设计和游戏开发的经验。最初的这款PowerVR PCX芯片缺乏双线性过滤功能，这意味着什么呢？客户花费300美元购买的显卡，仅仅得到的是像最初PlaySation游戏机中显示的纹理像素化的效果。而同时代Nintendo 64 和 3Dfx 显卡则提供双线性过滤功能，能够为客户提供更平滑的游戏画面。而这个双线性过滤功能并不是什么高深莫测的技术，最大的问题在于PowerVR的研发工程师并不愿意为产品加入这个功能。这个问题在接下来的PowerVR PCX2中得以解决，这款显卡主频更高，也采用了双线性过滤技术。不幸的是，这个设计团队的领导人也没有游戏开发知识。结果，设计团队认为没有必要加入src*dst纹理交混技术。这项技术拥在彩色照明上——爆炸、激光束和怪异的走廊等场景都需要这样的效果。同样，这不是什么技术难题，关键是团队没有想到需要这种纹理交混模式。 事情本来还是有转机的。当年世嘉Dreamcast就是采用了PowerVR Series 2系列芯片，它可以说在当时是最流行的游戏机图形芯片。然而不幸的是，VideoLogic在接下来的芯片设计上却一再失误，白白丧失了这次绝地反击的大好局面。当初VideoLogic不得不召回产品原型，结果发现产品设计存在致命的故障。还有一个问题是与Windows硬件鼠标指针有关。一次又一次不是技术难题，而是接连不断的错误加错误！而正是在 PowerVR Series 2 系列显卡上的失败迫使公司做出了退出高性能显卡的行列，转而专注于低功耗图形芯片设计上来。它确实短暂推出了Series 3芯片，但缺乏硬件转化和照明引擎。通过支持游乐场中的数字扑克机（在这里，延迟渲染的魔力可以即时看到），Series 3在财务上取得了一定的成功。 接下来的PowerVR则从真正的图形芯片生产商转变为设计商，这种营销策略与ARM公司相差无几。这一转变，也许是公司做出的最明智的决定。因为这样就可以使公司更专注于提升在数学和程序模块方面的核心竞争力，从而不再关注逻辑布局是否适合实际产品。由于公司90年代的原始架构已经用于多芯片设计，PowerVR可以轻松地继续成长为目前这样的卓越平台。 BitBoys的疯狂故事 而移动显卡领域的另一卓越选手当属高通的Adreno图形技术。Adreno公司绝非等闲之辈，因为这是高通从AMD购买的公司。AMD又是从ATI购买的，ATI则是通过收购BitBoys获得Adreno的！ 现在懂些科技史的人可能还会记得，BitBoys这家公司以"跳票"而声名狼藉。但是采用这家公司技术的产品也确实存在。这个故事说起来有些疯狂，而实际上，我们也对讲疯狂的故事乐此不疲。 故事要从1991年说起。在90年代初期，芬兰盛行Demo Scene，就是程序员（很多人才上高中）聚集到一起编写能够使计算机硬件达到极限的软件。这个创意包括创造出让人难以置信的视觉效果或者是让实现这样的视觉效果的程序尽可能的小。这些Demo创意把在视频和音频领域极富创造力的人才聚集在一起，这些人就是纯粹的编程天才。这些竞争项目包括仅仅用4KB空间写成的介绍（包含音频和视频）以及64KB的Demo，有兴趣的朋友可以在网络上找到相应的视频看看。这是最佳的演示，没有任何限制。想象一下电影“Step-Up 2: The Streets”的情形，唯一不同在于他们是软件工程师而不是舞蹈者。 在当时最出名的一个小组是Future Crew，他们在当时最大的比赛Assembly中获得了第一名。这个小组成员中就有Mika Tuomi（也被成为Trug），他是一位顶级程序员。正是他和他的弟弟以及一群要好的朋友创立了这家名为BitBoys的公司。起初，他们只是为当地公司开发软件。在他们征服了 Second Reality demo后，他们开始把兴趣转向3D显卡。 在经过一系列招兵买马的准备后，他们研发出来名为 Pyramid3D 的图形芯片，这是为一家名为TriTech的公司设计的。绝大多数人认为这是BitBoys的第一次“跳票”，但是这款芯片设计工作已经完成，并且产品原型也生产了很多，并且在微软大会上得以展示。产品的研发和生产几经起伏最终成品生产了。但是由于TriTech同时还生产音频芯片，并且它生产的音频芯片侵犯了Cirrus Logic公司的知识产权。两家公司对簿公堂后，前者输掉了官司，最终导致公司关门大吉，这款采用Pyramid3D芯片的显卡也最终没有机会接受消费者检验。 当然，这些软件天才们最不怕的就是挑战。于是BitBoys重整团队卷土重来。这一次他瞄准了一些大公司： Real3D （从Lockheed剥离，被英特尔收购）、Rendition（被美光收购）、创新实验室（最终收购了3DLabs）、ATI、英伟达、甚至Diamond Multimedia。但是这些公司都不愿意和他们合作，最后他们只好决定自己做。 这一次他们的项目是Glaze3D，计划采用9MB嵌入式DRAM实现高性能的填充率。公司募集到了第一轮的风险投资资本并且选取英飞凌作为其硬件生产商，这应该是基于英飞凌在嵌入式内存方面的专业技术的考虑。 从高端到移动图形芯片 Kaj Tuomi是Mika的弟弟，他开始编写一种软件，能够让程序员用C语言完成一个单元编程，然后用工具套件软件自动转换成VHDL，后者即可用于让实际芯片采用这个设计。时钟精确模拟功能让他们可以在实际工作之前在软件模拟器中开发芯片。随着3D显卡的发展，这种设计理念实用性极高。后来他们把这款Glaze3D更名为Axe，并许诺带来更高的性能！ BitBoys又演砸了。 事情发生在2001年，此时正值互联网泡沫危机。内存价格急跌，英飞凌作为唯一能够生产Axe芯片的厂商在危机中不得不关掉嵌入式DRAM部门。这意味着BitBoys的可以正常工作的芯片除了英飞凌外没有厂家能够生产。（这和高通选择先栅极高K工艺工厂有着惊人的相似）。但是Axe也不能算作“跳票”的产品。在英飞凌的嵌入式DRAM部门关闭之前，生产了数量有限的一些Axe显卡，这也让BitBoys才得以拿着这些显卡向风险投资公司展示他们的能力。 你永远不能让编程天才屈服！ 接下来整个团队则是着手研发代号为Hammer的显卡芯片，这是一款高性能的PC显卡芯片。要完成这个项目，BitBoys遇到了前所未有的挑战。在2002年，英伟达开始销售GeForce 4 产品，而ATI开始出售Radeon 9700/9800产品，这几款产品可都是两家公司生产有史以来最优秀的显卡。这时候，诺基亚找到了他们。于是BitBoys开始设计手机图形芯片。得益于Kaj用基于C语言的芯片开发系统设计的模拟软件，他们很快就设计出了芯片并可以从可编程的通用芯片EPGA直接输出。尽管这些设计并不是真正的芯片，但是性能卓越。BitBoys团队的春天终于来了。 到2006年，BitBoys被ATI收购开始了Imageon产品线。AMD和ATI合并之后，Imageon部门在2009年被高通收购。这也意味着部门的50名员工从AMD芬兰总部转移到了高通的芬兰总部。 这正是Adreno的由来，它是基于BitBoys极富传奇色彩的技术。Adreno 225图形芯片将会用在Krait芯片中，在高分辨率下性能要优于使用了PowerVR SGX 543MP2 图形芯片的苹果A5处理器。而PowerVR SGX 543MP2 和Adreno 225 图形芯片的性能都比Tegra 3的图形芯片性能强劲。英伟达则是一再强调，从长远角度看，公司一直致力通过增加CPU核心的性能创造更多的价值。 化腐朽为神奇 所以一方面，英特尔、苹果以及德州仪器都采用了PowerVR的图形芯片方案取得的不错的效果。而高通的图形处理器则是来自BitBoys的技术，产品性能也十分优秀。 但是问题的实质就在这：BitBoys团队的主要成员在一年前纷纷离开了高通，成立一家名为 SIRU Innovations Oy的公司。 作为一家创业公司，SIRU Innovations Oy过去一年很低调，它宣称正在开发一种可授权的低功耗图形IP核心。你或许从来没听说过SIRU，但它体现了科技记者的两种风格，一种喜欢跟踪公司并谈论企业的专长技术，另一种则更加关注人才的流动。 尽管目前我们尚不清楚SIRU团队的所有成员。但是BitBoys创始人Mika 和 Kaj Tuomi兄弟是公司的联合创始人。此外Mikko Alho是公司的总裁，他曾是高通芬兰总部的图形芯片硬件项目部的经理。值得注意的是，尽管Mikko Alho现在身处管理层，负责项目计划、人员配置、设计部署、日常项目协调、项目进展汇报等工作，在90年代的BitBoys团队里他是负责程序模块设计工作的，还包括基于C语言以及RTL-model应用等方面的工作。这意味着这个公司的管理层更懂技术。Jarkko Makivaara，前高通芬兰总部的工程师部经理也加入了SIRU。Jari Komppa，芬兰高通总部高级工程师，同样也加入了这家公司。此人可谓Demo界的传奇人物，其获得的荣誉包括：Text Mode Demo Competition XI竞赛的第一名、ludum dare 48游戏设计竞赛第四届的创新第一名和主题设计第二名、Assembly99 3d加速Demo竞赛的第二名、Aseembly98 Demo竞赛的第一名、Assembly96 Demo竞赛的第一名等等。当然SIRU团队里还有很多前BitBoys的成员。 所以2009年加入高通、在移动显卡设计领域有着10多年宝贵经验的顶级图形芯片工程师在过去的一年内，并不是全心全意的在为高通服务。 还记得我们前面说过的PowerVR正是缺乏不能预判到软件开发者以及用户需求的工程师而导致失败的例子吗？这对于SIRU来说，却不是什么大问题。它的团队成员全是编程高手，还有来自游戏开发工作时Fathammer的高级程序员。 另外我们深知硬件设计和软件驱动程序对于产品性能同样重要。Adreno 205 芯片在升级了驱动之后，性能就提升了50%！而SIRU团队里精通x86构架工程师可全是一些元老级的人物，他们在顺序指令单核处理器方面的才能无人能及。现在你还认为基于奔腾构架的凌动和近阀值概念技术可笑至极吗？ 在流失了如此多为Adreno GPU做出卓越贡献的人才之后，高通芬兰总部的软件团队还能从硬件中实现足够的性能么？ 等一下，很多软件团队的人也离开了高通： Marko Laiho，原BitBoys首席软件构架师，高通芬兰工程部经理半年前也离开了高通，成立了一家名为Vire Labs的公司。加入这家公司的还有Joonas Torkelli，原BitBoys handheld IP产品部经理，在高通芬兰担任图形软件部门负责人；Jani Huhtanen，精通显卡驱动以及2D/3D图形算法，前高通高级工程师；以及Jusso Heikkila，担任Vire Labs的首席安卓开发员。他们甚至邀请到了Kari Malmber担任创意总监。Kari Malmber也是前BitBoy团队的一员，最近的一项工作是在高通芬兰总部从事演示用的3D材料和设计手机用户界面相关的事务。 随着大量高级人才的流失，这无疑是对高通图形部门的沉重一击。原来归高通独有的专业技术人才现在却成立了两家公司，他们都准备把自己的技术以授权的方式卖给尽可能多的客户使用。 最后的思考 目前，基于英特尔平台的智能手机还未上市。高通第四季度财报显示营收为41.2亿美元。但是在未来三年内，会发生翻天覆地的变化。想想三年前的柯达！ 高通面临着三方面的挑战：制造方面押宝在先栅极高k工艺上，现在却不得不采用标准硅技术，在转向真正的乱序指令设计时面临的CPU制造挑战，以及在图形芯片方面的挑战则是高级人才的不断流失。 英特尔呢？在生产工艺遥遥领先，目前已经展示了一款采用32纳米制程生产的移动芯片，在不使用乱序指令集技术的前提下就已经很有竞争力。而图形芯片方面，英特尔可以选择PowerVR的设计或者SIRU将来研发出来的产品。当然更不能排除英特尔自己的工程师研发出自己的移动图形芯片。 因此，根据以上分析我大胆预测：英特尔三年之内必将在MSoC领域超越高通。

长期以来，英伟达（NVIDIA）致力于桌面图形芯片及新型的高性能通用计算的发展。而随着图睿（Tegra）系列芯片的推出，其应用领域还延伸到了智能手机、平板电脑领域，以及汽车电子市场。 据英伟达汽车事业部总监Danny Shapiro介绍，该公司图形处理器（GPU）主要包括三大产品线：分别是用于移动技术的图睿、用于视觉计算的精视（GeForce）和QUADRO，以及用于超级计算的TESLA。 其中，图睿是一款完整的电脑单芯片(Computer-on-a-chip)产品，既能提供极高的性能，又可实现顶级能效。随着移动设备逐渐成为多数人的个人电脑，图睿处理器能够让用户通过手机和平板电脑享受完整的 Web 体验、电影观赏体验以及游戏畅玩体验。据《国际财经时报》评选，摩托罗拉Xoom、三星Galaxy Tab 10.1、LG Optimus Pad/Gslate、华硕Transformer以及宏基Iconia A500，这五款基于图睿处理器的平板电脑，分辨率比 iPad 2 高出 30%，性能堪比 PC，然而功耗却低于其它移动处理器。 下一步，将图睿处理器应用于汽车中，又将带来哪些改变或突破？Danny Shapiro说道，不同的图睿芯片可以实现不同的控制功能，从而便于驾驶员更加容易地进行操作。传统意义上，车内大概有100多个芯片，连接芯片的线大约长2公里。而图睿可以减少芯片的使用，缩短布线距离，从而可减轻车身重量，提高能效。其次，图睿最初针对智能手机和平板电脑设计，因此对功耗要求非常高，其功耗相当于CPU的1/150，低于2W，因此非常适用于未来的设计需求。 Danny Shapiro称，从超级手机到超级计算机及其它领域，英伟达 GPU 被用在全球最先进的产品当中。特别是在汽车信息娱乐系统领域，图睿处理器带来了堪称“改变游戏规则”的诸多特性与强劲性能，例如，其逼真的3D图形效果以及先进的多媒体功能；高品质加速的用户界面；使得诸多功能可在单一平台上实现的高集成度；可快速打造用户界面绝佳视觉效果的完整工具包；更高的浮点性能以及更低的功耗。 将专注于信息娱乐与导航、仪表组以及驾驶员辅助系统 “视觉计算是为驾驶者提供必要信息或是为乘坐者提供最前沿的娱乐装备的关键。通过高性能的GPU，英伟达不仅让车载娱乐系统功能更丰富、更完善，同时让汽车驾乘更安全。”Danny Shapiro说道，“在汽车电子领域，英伟达将专注以下三方面：信息娱乐与导航、仪表组以及驾驶员辅助系统。”除了提供丰富的多媒体、导航等功能之外，英伟达的高性能GPU可以通过目标捕捉、行人监控等技术，分析周围的人、车、物，便于驾驶者更准确地判断路况。 汽车行业已经注意到了英伟达的快速成长，奥迪A8L最新的MMI Touch系统已经搭载了图睿处理器，从2012年开始，其全系车型将使用基于图睿的车载娱乐系统。而宝马、兰博基尼、大众、斯柯达以及 Tesla 汽车公司也正在利用图睿来实现更多功能，从而使驾驶更加安全、更具乐趣。 如今，不少在移动产品领域大获成功的电子厂商都已进入汽车电子市场跃跃欲试，其中不乏英伟达的竞争对手。直面竞争，Danny Shapiro表示，英伟达的优势有三：首先，其高性能计算解决方案，通过软件调试后非常适用于汽车应用，这会更节省能耗，也可使驾驶者享受到在手机或平板电脑上的应用体验；其次，英伟达的软件研发团队非常强大，人数甚至多于硬件团队，因此有不同的团队针对不同的软件进行优化设计，可充分利用资源；第三，不论是微软、安卓或是其他的操作系统，英伟达与相应公司都有非常好的合作关系，可以根据汽车厂商的不同需求对软件进行调试和优化，同时，该公司也与应用开发商有非常好的合作关系（包括游戏厂商、不同的软件厂商等），例如针对图睿处理器，已经有了经过优化的各种应用，这些都可以被汽车厂商所利用，实现其独一无二的竞争优势。