Imagination 发布新一代GPU,全面解读光追技术在移动端、Chiplet/异构计算在汽车领域的应用趋势

2023-01-18 18:20:00 来源:EETOP

近日,Imagination隆重推出其新一代GPU IP产品IMG DXT。据介绍,DXT高配包括DXT72-2304 RT3,50%的性能增加和计算能力增加,标配达到2.25T浮点运算能力,72GB像素填充能力,9TB的AI推理能力,同时把D4光线追踪技术进行可配置化、可扩展化,黄金搭档搭配光线追踪一起使用。


DXT产品主要是面向手机游戏。从ABI 2022年的调查显示,手机游戏用户会将会从2022年的26亿增长到2030年的39亿。此外,到2026年,85%的游戏玩家将首选在手机上玩游戏。Imagination认为,手机游戏有三个趋势是非常值得重点关注的:

  • 越来越沉浸感的体验。

  • 更高的性能,更流畅的体验。

  • 低功耗,一直充电或者功耗比较大,这些对手机的玩家也是不可以接受的。


DXT产品的关键技术包括可扩展的光线追踪技术、可变速的着色技术,以及在手机游戏领域可以提高性能、降低功耗的关键技术。Imagination首席营销官David Harold表示:“随着移动游戏市场的不断增长,我们需要平衡该市场对低功耗的要求和对逼真沉浸式画面的渴望。作为高效移动光追领域的领导者,我们正在加快光追的采用并推动整个生态的发展。”


让光追变得触手可及


最近一到两年,光线追踪的热度很高。光线追踪解决的是让3D游戏场景中的光照更加贴近真实生活中的折射和反射。Imagination 中国区技术总监艾克介绍说:“IMG DXT可以使移动设备制造商能够根据自己的设计目标将光追技术集成到他们的系统级芯片(SoC)中。DXT的Photon架构是目前唯一达到光追系统(RTLS)4级的光追设计,这意味着它能够以业内效率最高的方式提供领先的视觉效果。“


Imagination在光线追踪领域有超过十年的技术积累和开发。根据技术特点的不同,Imagination提出了用于区分光线追踪等级技术的RTLS系统。

  • 第一级的光线追踪技术都是软件实现的,开销比较大,CPU占用资源比较高。

  • 第二级的光线追踪技术对一些光和或者三角形碰撞用硬件处理,其实就节省了CPU资源,目前典型的桌面显卡都是这项技术。

  • 第三级的光线追踪技术对BVH回溯就有硬件支持,这是光线追踪描述大场景下的结构,就是大小矩形框把整个场景描述,光线在这里碰撞需要回溯,放在硬件来做的时候能耗功耗比就下来了。

  • 第四级的光线追踪技术有别于前面,除了光和自动测试和回溯,还能把相同光线上的光数统一计算,可以用统一的指令运行。

  • 第五级的光线追踪技术是Imagination的储备技术。


以前的光线追踪技术很多都是应用在PC和主机上。这样的设备,本身的带宽和能耗的要求是可以得到满足的。但移动端就不行,因为移动端的能耗和运算带宽本身受到的限制比较大,所以要尽可能地把这些光线追踪的能力都部署到硬件级别,才能更好地在移动端解决光线追踪的问题。2021年,Imagination发布光线追踪技术,把这项技术引入手机领域,让手机也能用上光线追踪技术,当年也因此获得最佳IP设计奖。


艾克分享说:“DXT提供的是第四级别。与相同移动配置下的CXT相比,DXT能够将提供可用光追的面积成本降低40%。开创性的光追GPU将为所有移动设备用户带来最先进的图形技术。”


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Vulkan®的片段着色率(FSR)技术


IMG DXT支持Vulkan的片段着色率(FSR)技术,为开发者带来了性能上的裕量。FSR在尽可能不影响视觉质量的前提下减少处理的片段数量并大幅提高图形性能,同时通过减少投射到场景中的光线提高光追的效率,这意味着可以在更小的硅片面积上实现逼真的灯光和阴影。


FSR是一种可以在几乎不降低图像质量的前提下减少片段着色器运行次数的技术,能够降低占用的带宽与功耗。开发者可以控制FSR的使用力度,最极端的情况下甚至可以对一个4x4的片段区域只执行一次着色器代码,从而使工作负载减少近94%,实现同等的功耗和带宽节省。所解放的性能使开发者能够利用硬件来完成更多的内容渲染,为玩家打造更高质量的游戏体验。


全新三重通用着色器集群USC


IMG DXT GPU搭载全新的着色器处理单元(SPU)。SPU是一个硅片,包含一个用于计算任务的算术逻辑单元(ALU)和一个用于像素着色、几何处理和光栅化逻辑的纹理处理单元(TPU)。


凭借全新三重通用着色器集群(USC)设计(3个ALU/TPU单元),DXT GPU将每个SPU的高端计算和纹理(ALU/TPU)性能提升50%以上,而以前的架构只侧重于双USC设计(2个ALU/TPU单元)。这个改进后的模块使Imagination能够创造出最高性能的高端移动GPU--DXT-72-2304,这款GPU在1GHz时钟频率下具有72GTexels/s和2.5TFLOP FP32性能。


█ IP的技术趋势


Imagination是世界第四大硅IP,就是硅知识产权的提供商。芯片设计通常由自主设计部分与外购IP组合而成。半导体IP行业处于整个产业链最上游,可为芯片设计提供预先设计、经过重复验证的、可重复使用的功能模块。当前,IP在芯片设计中的占比有提高的趋势。


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Imagination 公司副总裁兼中国区总经理刘国军分享说:“当前,半导体开发的成本在不断快速攀升。SoC或者芯片的设计者和提供商对第三方IP的需求将会迎来爆发式增长。”


随着摩尔定律接近极限,IP的发展也出现了两个尤为关键的趋势。异构变得很重要,Chiplet也变得很重要。刘国军介绍:“我们的IP,其实过去几年就在考虑和Chiplet合作,异构计算就更不用讲了。我们的GPUCPUAI都是为支持异构计算来做的!”


Chiplet和异构集成


Chiplet,小芯片,又称为模块芯片,是系统级芯片(SoC)集成发展到后摩尔时代后,持续提高集成度和芯片算力的重要途径。它创新了芯片封装理念,把原本一体的SoC分解为多个芯粒,分开制备出这些芯粒后,再将它们互联封装在一起,形成完整的复杂功能芯片。Chiplet最大的优势是降低成本和提升芯片集成度,且有利于后续产品迭代,加速产品上市周期。


日前,阿里达摩院发布的2023十大科技趋势提到,面向后摩尔时代,Chiplet可能将是突破现有困境最现实的技术路径。Chiplet可以降低对先进工艺制程的依赖,实现与先进工艺相接近的性能,成为半导体产业发展重点。从成本、良率平衡的角度出发,2D、2.5D和3D封装会长期并存;同构和异构的多芯粒封装会长期并存;不同的先进封装和工艺会被混合使用。Chiplet有望重构芯片研发流程,从制造到封测,从EDA到设计,全方位影响芯片产业格局。


在显著的技术方案优势下,Chiplet也早已引来多家巨头竞相布局。进入2013年,更是多家企业相继发布其Chiplet产品。1月6日,在2023年美国消费电子展(CES)上,AMD发布了首款数据中心/HPC级的APU“Instinct MI300”,这款APU采用的就是Chiplet(芯粒)技术,在4块6nm芯片上,堆叠了9块5nm的计算芯片,以及8颗共128GB的HBM3显存芯片1月11日英特尔在北京发布了代号为“Sapphire Rapids”的第四代英特尔至强可扩展处理器,该GPU的一大亮点之一便是,它是英特尔首款基于Chiplet(芯粒技术)设计的处理器,扩展了多种加速器引擎,被英特尔称为“算力神器”。


Imagination作为IP领域的领先企业,对Chiple的关注和战略部署又是什么呢?为此,EETOP特别采访了Imagination首席营销官David Harold和Imagination技术产品管理高级总监Stephen Barton



EETOP:您如何看待Chiplet对IP企业发展的影响?当前,Chiplet面临的最大挑战,您认为是什么?


David Harold:作为一家IP公司,Chiplet对我们来说肯定是非常值得关注的一个领域,它意味着我们可以把原有的IP进行重复使用。Chiplet应用本身在制造、使用和设计都会更加方便展开这些异构的计算,很多产品做成Chiplet以后可以在装配前进行提前测试,避免了在装配完成后才发现测试失败,没有办法通过。在这种情况下,失败的是单一的Chiplet,不会影响到整个设备和Device。尤其对很多小的、初创型芯片企业,如果需要做SoC的话,那Chiplet将是一个比较好的切入点和新的切入方向。


当前,Chiplet的最大挑战就是接口过于碎片化,但这样的挑战比起Chiplet的发展给大家带来的益处而言,未来效果肯定会更好,所以值得大家克服这样的挑战。


EETOP:Imagination在Chiplet领域的推进计划是怎样的?您如何看待像英特尔、ADM这样的大半导体公司在Chiplet领域的发展?如果Imagination开发Chiplet的产品,着力点会放在哪?竞争优势又是什么?


Stephen Barton:我们当初设计B系列GPU就已经专门针对Chiplet做了相应的设计,能够更好地适应未来在Chiplet中的应用。这样的设计理念和思路也将会延续下去,包括现在的D系列以及以后新的GPU里面。


David Harold:其实Chiplet是介于IP和芯片组之间存在的形式,英特尔这样的大型半导体公司就更像是可以利用Chiplet把内部原有的IP技术变得像我们一样进行IP化,就是把X86往ARM或者RISC5的方向发展,大的半导体公司也会利用这样的机会拓宽外部的IP市场,一定程度上变得像一家IP公司一样,通过这样的方式运营。


很多异构架构把CPUGPUAI和以太网结合到一个Chiplet,这确实可以带来很多未来先进的应用场景,也有很多机会,会在某些特定的市场上大放异彩。手机上一直推行采用最新的工艺节点和SoC,可能Chiplet不会那么快地展开手机场景中的应用,但其它应用场景比如汽车或者消费电子,Chiplet都是大有可为,我们自己也非常感兴趣。


再加上另外一个趋势,就是异构计算。我们公司对RISC-V一直都是很有信心的。它一定会带来颠覆性的、巨大的变化,改变很多的东西,只不过这个过程会是需要时间的,可能是十年以后。我们希望GPU IP可以成为诸多RISC-V架构的首选,现在有很多RISC-V相关的IP Vendor,但能提供GPU IP的并不多,我们希望进一步巩固这种领导地位。


EETOP:谈到汽车行业,这是大家都非常关注、也是未来非常重要的一个市场。在汽车领域,SoC有一个趋势,就是把CPUGPU集成在一块,这个方向是不是未来的技术趋势?除了这个趋势以外,SOC目前还有哪些值得关注的方向?Imagination2023年在汽车领域有没有什么汽车创新和技术部署的规划?


David Harold:目前对车辆相关的解决方案有多种不同的设计形式,其中包括异构计算,也有把CPUGPU捆绑整合在一起,放在车辆上的同一位置或者以传统的方式分开,放在不同的离散连接方式,通过离散的方式连接起来放在车内不同的位置。现在还不能确定哪种趋势就已经成为技术路线上的一种主流。我们是比较偏向于异构计算,毕竟我们自己在AIGPUCPU方面的能力都很强,也有很强的能力合理地在这些不同的芯片中分配合理的工作量。针对这些车辆上的应用有一个关键点,不管采用何种方式进行架构的部署,最重要的一点就是所有设备都要符合车规级的要求,达到ISO26262的标准,ISOD和ISOB。


目前Imagination已经有很多IP应用在数以万计的车辆,也有相应的其它技术储备,HMI、ADAS高级驾驶辅助系统,车辆使用的CPUGPU和这些设备中的连接方式等,而且都是能够符合车辆功能安全级别。车辆专属的设计在我看来是比其它的整不整合更加重要的事情,我们现在已经有了专门为车辆应用去做设计的能力、团队以及心态,这才是目前最重要的一点。


补充一点,汽车行业真的已经开始越来越多地应用RISC-V架构的CPU,我们第一家RISC-V的客户就是车企,现在有越来越多的企业尝试嵌入式的RISC-V,如Google定义未来各种设备都会采用RISC-V,包括移动端,我们认为最先到来的使用RISC-V大规模的使用场景一定会是汽车行业


█ 结束语


Imagination是世界第四大硅IP,就是硅知识产权的提供商。Imagination有近三十年的技术积累,是以GPU立足行业,核心技术有着非常大的优势。


刘国军分享说:“过去三年,Imagination最大的变化是更换新的CEO、制定公司整体战略以及中国战略。新的战略主要Focos四大应用领域:传统的Mobile,Consumer、Automotive、Data Centre。其中

Automotive是Imagination的传统强项,目前我们的汽车GPU还是市场占有率超过一半。不过,新的GPU既要用于渲染又要用于计算,这是一个新的变化。这也是我们当前面临的挑战之一。”


紧紧抓住中国市场,是Imagination应对挑战的关键策略之一。据刘国军介绍,在过去的两年,Imagination中国业务的增长带动整个新的Imagination在过去的年增长率达到33%。目前,Imagination正在加大中国的生态建设,从整机厂到游戏厂。


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刘国军表示:“作为Silicon IP的主要提供商,Imagination的成功正是跟整个行业、客户以及合作伙伴一起,生态化发展。希望Imagination拥有这些核心技术以及IP价值位置,能够给中国半导体既有挑战又有机遇、有着非常巨大发展潜力的市场做出我们应有的贡献。”


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