深度剖析GPU在架构上的变化与最新进展

　　Tegra 4的GPU子系统就是很好的例子，它从前代的十二颗GeForce GPU核心，一举提高到七十二颗，六倍的核心数也带来六倍于Tegra 3的绘图效能。Tegra 4及Tegra 3在GPU效能表现上的差异，请参考表1。在系统配置上，其架构中有所谓的顶点着色器(Vertex Shader)和画素着色器(Pixel Shader)；前者让工程师可自订场景(Scene)中顶点的转换过程，后者则是用来控制画面上每个画素的着色计算。 

　　更进一步来看，Tegra 4的作法是将七十二颗GeForce核心拆分为二十四颗Vertex Shader与四十八颗Pixel Shader。其中每四颗Vertex Shader组成一组顶点处理引擎(Vertex Processing Engine, VPE)，所以有六颗VPE，分别具有16KB、96-entry快取记忆体，能够有效降低向外部晶片存取资料的需求。在相同时脉下，新的GeForce核心可以带来1.5倍于Tegra 3的效能，而前后代Vertex Shader数量相差六倍，相乘之下差距达九倍之多。 此外，Tegar 4总共具有四组画素管线(Pixel Fragment Shader Pipeline)，每组画素管线可细分为三组算术逻辑单元(ALU)，每个ALU则是由四颗GeForce核心(即Pixel Shader)组成。在实际运作时，会以ALU做为最小层级的单元，并称为多功能处理单元(Multi-Function Unit, MFU)，因此Tegar 4总共具有十二组MFU，MFU可执行函数、三角函数、对数、倒数、平方根及MOV等指令(组合语言中的复制)。 

　　降低多核心SoC耗电量　架构设计担当重任

　　对于行动装置而言，电池的使用寿命与效能/功能表现占有同样重要的地位。同样是四核心行动晶片，因个别架构不同，往往也有不同的效能与功耗表现。以Tegra 4来说，除采用安谋国际(ARM)最先进的CPU核心外，透过可变对称式多重处理(vSMP)架构，可依照使用需求进行调配，让四颗效能核心发挥最大处理能力，并可视工作量，分别自动启用及停用各颗核心，以大幅节省电力。 

　　为了提升续航力，Tegra 4延续Tegra 3的省电概念，在晶片中加入第五颗处理器核心，不过名称从协同核心(Companion Core)改为省电核心(Battery Saver Core)。当装置处于背景处理邮件、社交软体同步，或是播放影片、音乐等低效能需求情境时，系统将关闭效能核心，并使用省电核心负责执行程式。 

　　就晶片设计观之，多核心处理器必定会面临记忆体频宽和整体系统功率的重大瓶颈，为了因应此议题，Tegra 4提出双通道(2x32位元)的记忆体子系统作法。此外，为减少对晶片外记忆体的存取使用需求，Tegra 4的GPU架构中规画顶点、画素、材质(Texture)专用的快取记忆体，让运算任务尽量在晶片内部完成，以提升处理效益和降低功耗。 

　　另一个降低系统单晶片(SoC)功耗的重要策略，就是采用先进的电源管理技术。以Tegra 4来说，即采用多层级时脉闸控(Multiple Levels of Clock Gating)、显示要求群组(Display Request Groupig)、动态电压与频率调节(DVFS)等多种电源管理技术，针对不同使用情境将电源需求降至最低。 

　　运算型摄影架构助力　行动装置影像效能升级

　　再从应用端来看GPU架构的发展，今日的使用者非常仰赖行动装置来进行照相和和录影功能，且希望达到专业级的效果。不过，相较于相机，手机或平板装置在先天性上就难以配置太大的镜头，这时想得到高品质的影像，就得靠更先进的影像处理技术，甚至是运用电脑演算法来创造影像。