來源：電子工程專輯

作者：黃燁鋒

今年是Imagination的PowerVR架構誕生30周年——電子工程專輯最近特別采訪了Imagination，以期了解這段頗具傳奇色彩的架構歷史。Imagination告訴我們1992年PowerVR剛剛誕生之時，公司還叫作VideoLogic——這家公司創立至今已經有37年的歷史了。

翻看GPU發展史，Imagination還真是參與到了此前圖形加速卡眾神廝殺、生態你追我趕的時代。Imagination公司的元老之一Simon Fenney（現在是Imagination的Research Fellow）前些年還在博客上回顧了1997年Imagination的PowerVR，與S3 Virge、ATI Rage，還有和3dfx之間的比較。這些名字都算相當久遠了吧。

借著PowerVR 30周年之際，我們來聊聊PowerVR這些年的發展——多少也能從中窺見GPU的歷史之路。尤其Imagination格外拿手的TBDR（分塊延遲渲染），到現在應用于移動平臺的Photon光追架構，也算是GPU發展史的一支了。本系列文章會分成上下兩篇，上篇簡單回顧PowerVR這30年走過的歷史，下篇則將從技術角度來剖析Imagination引以為傲的TBDR架構。

游戲機，PowerVR聲名鵲起的最初

現在大部分同學了解Imagination PowerVR應該是基于其在移動市場的表現。不過作為一個80年代就建立的企業，Imagination在建立后不久，圖形技術和市場本身也開始了井噴式的發展。最初VideoLogic在圖形、聲音加速、家庭音頻系統、視頻捕捉、視頻會議系統上都有涉足。不過1992年，公司開啟了一個新項目，也就是后來的PowerVR。Simon Fenney也是這一時期加入的公司。他在博客中說，1992年公司開啟了一個名為Trident Project的項目。根據Simon的回憶，Martin Ashton、Tony McClaren和他三人，促成了現在PowerVR GPU的TBDR（Tile-Based Deferred Rendering）架構雛形。Imagination在采訪中說：“第一代設備（從1992-1993年的原型到1995年左右推出的PCX1和PCX2）使用較低級別的基元（primitive），也就是無限平面（infinite plane）來進行物體建模。”“盡管無限平面基元的效率可能不錯，但問題在于業界只使用三角形（或四邊形）。”所以“第二代設備ARC1、CLX2（用于世嘉Dreamcast）和‘Neon 250’開始使用三角形渲染。”...“后來的幾代產品增加了著色器（shader）并且可以在移動設備上進行硬件圖形處理。但所有這幾代產品的共同點是底層TBDR技術。”

最初的FPGA原型板，被Imagination稱作是首個基于TBDR的板。這塊板曾亮相于SIGGRAPH 93。不過Simon說，最初帶著這塊板四處去宣傳的過程并不算順利，花了好大的功夫才有機會向潛在客戶做演示。起初一行人將產品定位于當時很火的街機系統。當時VideoLogic選擇了與NEC合作，最初就有了技術授權方面的動作。PowerVR Series 1的目標市場就是街機系統。在原型產品Midas 1和2之后，真正出現在市場上的是Midas 3。從介紹來看，Midas 3至少包含了ISP（Image Synthesis Processor）和TSP（Texture and Shading Processor）以及一顆橋接芯片。ISP可以彈性擴展，街機可以用2-4個ISP。這里可以看出當年的圖形加速卡和現在的GPU還是有很大差別的。Midas 3也應用到了PC設備上，出現在了彼時康柏（Compaq）的機器里。PowerVRPCX1Imagination所說的PCX1實際上也就是Midas 4：基本是將3顆Midas 3芯片放到1顆芯片中（如圖），基于0.5μm工藝，PCI接口、64bit 4MB顯存、核心頻率60MHz。據說當年康柏希望只用1MB或2MB的RAM，VideoLogic則努力說服康柏4MB才是PCX1的最佳搭配。后續的PCX2工藝提升到了0.35μm；其中新增了雙線性過濾（bilinear filtering），簡化了驅動工作，同時核心頻率進一步增加。據說當時采用PCX2芯片的Apocalypse 3DX顯卡在性能上超越了彼時的Voodoo。當時有報道說PowerVR Series 1的市場份額曾達到僅次于3dfx Voodoo的程度。

初期真正令PowerVR名聲大噪的恐怕是PowerVR Series 2進入到了世嘉的Dreamcast游戲機中（這段歷史還有3dfx、英偉達參與的愛恨情仇，有興趣的同學一定要去查一查）——也就是土星機的后繼者，發布于1998年底；同期PowerVR Series 2也進入到了世嘉Naomi街機中。

這代產品也是和NEC合作的。憑借著這代產品，到1999年NEC光是出貨給世嘉的PowerVR Series 2芯片就超過了100萬。從可循的資料來看，DC游戲機的出貨量超過了1000萬臺。

改名Imagination，與移動設備圖形計算現代化

對前期的VideoLogic而言，1999 年PowerVR還迎來了ST（意法半導體）這個大客戶，當時ST面向PC的圖形與視頻加速卡就是采用Imagination的PowerVR Series 3，代號叫Kryo。這代產品支持DX6、EMBM（environment bump map），只不過并不支持當時崛起的硬件T&L（tranform, clipping, and lighting）。值得一提的是，得益于TBDR架構，Kyro的核心面積很小、發熱也低，所用晶體管數量遠低于同期競品。另外這一年的一個大事件是，公司正式改名為Imagination Technologies：也不光是改名，在策略上同時轉向了專注在IP授權方向。根據Imagination的說法，是要在街機、家用游戲主機、PC等市場之外，持續做擴展，所以選擇了將注意力集中到IP授權。當年的Hercules3DProphet4000XT顯卡，基于Kyro芯片Imagination和ST同類型產品合作還是延續了好些年的。2001年的Kyro II有段時間在歐洲市場被稱作MX400殺手。但PowerVR也是直到計劃中的Kyro III，也就是基于PowerVR Series 4的顯卡，才正式加入了硬件T&L支持；只不過這一時期ST已經決定關閉圖形業務了，Kyro III也就未能正式問世。同期的桌面顯卡混戰局面宣告結束。不過也是這一時期- 2001年之后，Imagination在移動、汽車和醫療市場開始有所斬獲。PowerVR在移動圖形市場大獲成功的是PowerVR MBX；MBX以及之后的SGX（Series 5），更是讓Imagination在移動市場全面開花。當時這倆架構授權給了包括Intel、德州儀器、三星、NEC、NXP、Freescale、瑞薩、Sunplus在內的多個市場巨擘。回顧最初進入移動市場，Imagination（90年代后期）認為當時移動設備的圖形處理能力都非常弱，PowerVR一定能夠憑借低功耗設計，在移動視覺應用上掀起新的浪潮。PowerVR MBX除了TBDR架構之外，也開始采用現在很多人應該都知道的PVRTC紋理壓縮技術——現在類似的技術似乎稀松平常了，在當時卻相當具有開創性。實際在圖形管線的數據壓縮上，在之前的解析文章里也提到過Imagination目前的技術方案。作為節約帶寬、提升效率的重要技術組成，Imagination此前還將渲染過程中幾乎所有數據，都做了壓縮。這其中除了PVRTC紋理壓縮（還有ASTC等）以外，還包括圖像壓縮IMGIC（接替了此前的PVRIC），和幾何壓縮PVRGC。當然這就是后話了，尤其IMGIC是近代架構更新中才引入的。2005年PowerVR SGX架構問世，首個SGX核心面向的就是主流、高性能移動圖形計算，特性方面能夠全面滿足OpenGL ES 2.0 shader需求；這代產品也隨之引入了PowerVR視頻編解碼IP。于是這一時期前后，Imagination GPU相繼出現在了蘋果iPhone、諾基亞N96、索愛P1、摩托羅拉刀鋒等明星手機產品中。另外對Imagination而言，頗具標志性意義的一件事情也在于到2012年，SGX架構(Series 5XT）進駐索尼游戲掌機PS Vita——算是睽違多年的市場，Imagination對此還是頗為津津樂道的。另外2007年iPhone開始采用PowerVR架構GPU，不僅是對Imagination，對整個移動圖形技術市場而言都具備相當價值——開發者生態自此開始大舉建立，手機上的3D游戲逐步崛起。與此同時，2014年SGX架構中的Series 5XE開始下探更低功耗的產品，包括可穿戴、IoT和嵌入式應用，甚至還有類似打印機這樣的企業級設備。

要說移動設備GPU的技術真正走入大眾視野，而不僅限在被一小撮工程師人群所知，應該是2014年Imagination主動找到了媒體，透露了有關其PowerVR Rogue架構的部分技術細節，雖然大部分內容并未闡述詳細，卻也是普羅大眾真正首次了解到原來移動GPU架構是長這樣的。當時Imagination愿意對外公開這些資料，也是因為那一時期移動GPU陷入到“核心數”競爭的怪圈，而Imagination的GPU架構決定了PowerVR在核心數方面并不占優，因此需要向市場科普GPU“核心”究竟是什么的問題。不過不可否認的是，也是從Imagination的這一市場動作開始，其他移動GPU競爭對手也紛紛以更開放的姿態公布屬于自己的架構技術與特性。也是從PowerVR Rogue，也就是Series 6（也包含后續的Series 7，和部分Series 8/9）開始，業界開始留意到PowerVR相較同期的其他移動領域競爭對手領先幾個身位的性能和能效表現。這一時期正值iPhone 6熱賣，加上iPad Air 2的圖形性能，PowerVR Rogue還是驚艷了不少人的。似乎也是從這代產品開始，架構集齊了PVR3C三重壓縮的系統級優化。后續PowerVR Furian架構發布，這代架構繼續提升了性能和性能密度。值得一提的是，PowerVR GPU同期開始把觸角伸展到了圖形渲染之外——這也是當代GPU廠商普遍會走的路。PowerVR同期借助對于OpenCL、Renderscript、Filterscript等的支持，在CV和AI領域發揮作用。從Imagination提供的數據來看，2001年采用其PowerVR的產品出貨量超過1500萬；而到了2008年，其消費產品出貨量就突破了1億；2010年這個數字就再度發展至大約2.5億，2013年跨過10億大關。2017年Imagination回顧PowerVR架構25周年還提到，PowerVR產品出貨量突破40億，其市場覆蓋了電視、流媒體設備、手機、平板、手表、VR、汽車、游戲、Chromebook等。

進入另一個紀元的PowerVR

從Imagination的角度出發，自公司80年代成立至Furian架構發布，公司層面的各種操作也非常多樣，光是技術相關的收購操作就一大堆，包括Ensigma、Cross Products Limited、HelloSoft、Caustic Graphics等等。另外在股權結構上，東家們也算得上你來我往，比如NEC上世紀曾一度持有Imagination 3.5%的股份；Intel則在2006年前后拿到Imagination約2.9%的股份，2009年Intel最高持有Imagination的股份一度高達16.02%；2008年，蘋果買下Imagination約3.6%的股份......這些企業多少也都與PowerVR架構的發展有一些關系，只是并非本文要探討的重點。2017年9月，私募基金凱橋資本（Canyon Bridge）宣布收購Imagination。兩個月后交易就獲得通過，Imagination也從倫敦證券交易所摘牌。Imagination在博文中說，自此以后Imagination的歷史翻開了新的篇章。從技術角度來說，PowerVR的確也是在此以后續寫了全新的架構。2019年IMG A-Series架構發布，當時我們還對新架構做了剖析。自IMG A-Series之后的架構驚人之處在于性能的大幅躍進，Imagination說A-Series相比此前的PowerVR Series 9，性能密度至多增長了250%。這代新架構重新設計了ALU，還有HyperLane虛擬化技術以及AI Synergy。當然不變的傳統仍然在于TBDR。似乎隨A-Series的發布和性能密度的暴漲，這些也給Imagination帶來此間20年的首個桌面級GPU授權客戶。而且2020年年初，蘋果和Imagination又再度簽署了多年的授權協議。這也算是Imagination就企業層面面臨一波動蕩后的回歸。其實在A-Series架構發布會上，Imagination就預告了B-Series、C-Series的存在和性能提升預期——當時看起來還是挺不可思議的。不過很快Imagination還真是發布了IMG B-Series。其中的BXT基于多核彈性化設計，性能提升最高達到了A-Series的4倍。

InnosiliconFantasy1這一時期的重要事件是，Imagination收獲了芯動科技（Innosilicon）這個于國內眾所周知的客戶，IP應用到了芯動的Fantasy風華顯卡產品線。目前桌面級的芯動Fantasy 1風華1號和Fantasy2 風華2號顯卡均已供貨。Imagination提到該產品系列中的Type-A顯卡會采用16GB GDDR6x顯存、128bit位寬，基于BXT-32-1024提供5 TFLOPS算力；而Type-B則會采用雙芯方案，達成最多2倍的性能。值得一提的是，B-Series也擴展出了BXS家族。這是面向汽車的IP產品，其中有一些專門的特性，比如說Tile Region Protection；據說這也是首個滿足ISO 26262安全標準的GPU IP。

PowerVR近代史上十分重要的一件事還在于2021年底發布的IMG C-Series架構。PowerVR Photon光線追蹤架構部分應用到了C-Series GPU IP上。就IP層面，在移動平臺做硬件級光追加速的，Imagination走得還是相當超前。就光線追蹤的技術儲備，似乎可以追蹤到2010年Imagination收購Caustic Graphics，這就是個做軟硬件實時光追圖形技術的企業。Imagination說自家的原型光追硬件，最初是在2016年的CES展會上對外做演示的，按照Imagination宣傳的RTLS（光追等級系統）分級標準，處于Level 5（Coherent BVH processing with BVH hardware builder）。基于Photon的CXT架構的目標等級是Level 4（BVH processing with coherency sort in hardware），并完整支持業界標準的Vulkan RT光線查詢和光線管線擴展。可見在規劃上，Imagination的硬件光追實現具有相對比較長的歷史, 在性能上Imagination 猶有余力, 據介紹其產品可以達到更高RT等級。我們知道，光線追蹤對硬件算力和功耗需求很高，于移動平臺的暴力實現也并不合理。所以PowerVR在設計上特別加入了“coherency sorting”相干性排序：這一特性會對具有相干性的光線做排序，比如某些材質反射同方向光線做分組，可以達成更高的數據復用率，提升并行ALU管線利用率。Imagination在技術白皮書中說，coherency sorting對于光線追蹤的價值，相當于TBDR對于GPU效率的價值。C-Series中的IMG CXT被Imagination稱作現如今在能效方面最先進的光線追蹤解決方案，預計基于該架構的實際芯片產品會在2023年問世。這是一個全新的戰場，對任何市場參與者而言都如此。另外，Imagination透露不久還將有新產品發布。

實際在2017-2019年前后，Imagination曾面臨過多次企業層面的動蕩。不過在新篇章的IMG A-Series發布至今，PowerVR仍然以充滿活力的方式迎接著電子產業與圖形世界的未來。Imagination說到2022年，公司已經在汽車HMI圖形市場占據超過50%的份額，移動圖形市場占比也超過35%。這個成績的獲得對擁有30年歷史的PowerVR架構而言還是很不容易的。畢竟兜兜轉轉的幾十年GPU發展史，多少原先的市場參與者都已經不在了。其實本文還沒怎么涉及到PowerVR計算機視覺和AI產品線。不過在動蕩期過后，PowerVR的確正以全新的面貌嘗試進駐更多萬物互聯的市場。本文的下篇，我們會著重描繪Imagination長期以來引以為傲的TBDR技術。Imagination也將參與即將于11月10日在深圳大中華交易廣場舉辦的IIC深圳（2022國際集成電路展覽會暨研討會）。屆時Imagination中國區董事長白農將在同期舉辦的全球CEO峰會上發表主題演講。IIC是由Aspencore主辦的電子產業權威交流平臺。展會設置IC設計專區、分銷與供應鏈專區、綜合展區等，集合了國際國內最頂尖的電子科技產業領袖。同期還將舉辦全球CEO峰會、全球分銷與供應鏈領袖峰會、國際工業4.0 技術與應用論壇及第24屆高效電源管理及功率器件論壇。