Arm Tech Day 2024解析終端產品運算子系統（2）：繪圖處理器強化遊戲與AI體驗

Arm最新Immortalis-G925繪圖處理器不但具有強大的繪圖與光線追蹤效能，有助於強化遊戲體驗，也能在AI運算領域發揮所長。

在行動裝置提供主機級遊戲體驗

Arm隨著2024年發表的終端產品運算子系統（Compute Subsystem for Client，以下簡稱CSS 24）推出Immortalis-G925繪圖處理器，強化3D繪圖、AI運算的效能以滿足現今行動裝置日益覆雜的運算需求。

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• Arm Tech Day 2024解析終端產品運算子系統（2）：繪圖處理器強化遊戲與AI體驗（本文）
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根據Arm的調查，在行動裝置實際使用情境與體驗的相互關係中，遊戲與AI、ML（Machine Learning，機器學習）占了相當大的比重，而針對遊戲所進行的分析，發現如《原神》與《要塞英雄》等遊戲3D繪圖的多邊型複雜度大約呈現9%與11%的年均成長，而材質貼圖的複雜度年均成長則高達27%與43%，也將有更多遊戲會導入光線追蹤繪圖技術，有助於帶來更系膩的遊戲畫面，但也提高了繪圖處理器的效能需求。

Immortalis-G925除了在硬體架構有所改進之外，也提供最多24核心的「怪獸級」配置選擇，能夠滿足更寬廣同定位相異產品的設計需求。

根據Arm提供的數據，14核心的Immortalis-G925與12核心的前代Immortalis-G720相比，能帶來高達37%與36%的繪圖與AI效能提升，光線追蹤效能則有高達52%的成長，並在主流遊戲節省30%電力消耗。

▲ Arm China市場總監王剛針對CSS 24中的繪圖處理器進行介紹。

▲ Arm引束data.ai的資料，分析2023年63%的App Store收益來自遊戲，並預測未來將有10%的App具有AI或ML功能。

▲ 根據Arm的調查，《原神》與《要塞英雄》等遊戲3D繪圖的多邊型複雜度大約呈現9%與11%的年均成長，而材質貼圖的複雜度年均成長則高達27%與43%，也將有更多遊戲會導入光線追蹤繪圖技術。

▲ Immortalis-G925的核心數量可由10~24組之間進行配置，能夠滿足更寬廣同定位相異產品的設計需求。。

▲ 14核心的Immortalis-G925與12核心的前代Immortalis-G720相比，能帶來高達37%與36%的繪圖與AI效能提升，光線追蹤效能則有高達52%的成長，並在主流遊戲節省30%電力消耗。

▲ 上述的比較組合也能在《決勝時刻：Mobile》、《暗黑破壞神 永生不朽》、《要塞英雄》、《The Day After Tomorrow》等手機遊戲存在29~72%的效能差距。

▲ 14核心的Immortalis-G925在多項FP16資料類型的ML推論運算效能較12核心的Immortalis-G720高出29~50%。

▲ 在與Unity的合作中，透過Unity Sentis ML運算框架支援INT8資料類型，能為14核心的Immortalis-G925帶來最高44%的ML推論效能提升，在MiDaS深度預測則有32%效能增益。

▲ 在光線追蹤繪圖部分，開發者也可以在維持精確度與降低精確度並換取效能之間進行調整，最多可以取得52%效能並降低57%記憶體存取流量。

軟硬體架構改進推升效能

Immortalis-G925導入片段預處理（Fragment Prepass）技術，以先前類似的技術為基礎並加以改進，可以在3D繪圖過程先進行1次頂點預渲染，並在此階段進行Early Z運算，確認畫面上各物件的「深度」（與攝影機的距離）與彼此遮擋狀態，然後剔除被遮擋以及不會顯示在畫面上的物件，再進行頂點最終渲染、貼圖渲染等後續步驟。此改進版本具有更理想的剔除效果，且具備無限量的剔除窗口（Unlimited Culling Window），並且可搭配Late Z運算確保透明或鏤空物件後方的其他物件不會被剔除。

雖然片段預處理技術需要進行2次頂點渲染，但仍可在剔除不需要繪製的物件之後，降低整體繪圖運算量，達到提升遊戲效能與降低整體功耗的效果。

Immortalis-G925導入Tiler Throughout技術，能夠在將2組多邊型共用邊「融合」成1組，並同時送進Tiler Pipeline（圖塊管線）繪製以減輕幾何運算的負擔，此外Immortalis-G925也增加CSF（Command Stream Frontend，指令流前端）硬體介面，讓更多原本透過模擬的CSF指令能以原生方式執行，以提升整體效能。

在其他改善部分方面，Immortalis-G 925將原本記憶體分頁（Page）大小由4KB提高到2MB，以降低存取大量資料時的分頁表操作負荷，此外其ZS單元也獲得改進，有助於強化VRS（Variable Rate Shading，可變速率渲染）以提升遊戲的FPS效能表現。

在執行單元中的FMA（Arithmetic Fused Multiply Accumulate Unit，融合乘法累積運算單元）、CVT（Arithmetic Convert Unit，算數轉換單元）、SFU（Arithmetic Special Functions Unit，算數特殊功能單元。上述單元詳情請參考官方文件）也都有所改進，尤其將CVT數量加倍，讓FMA與CVT的數量比值由原本2:1提升到1:1，以提升複雜渲染運算與INT8資料類型ML運算的效能。

最後值得注意的是，筆者在前篇文章討論DSU-120的部分提到在筆記型電腦的配置範例並沒有納入繪圖處理器，其主要原因為Immortalis-G925並不支援DirectX繪圖API，因此在Arm也保留了搭配第三方繪圖處理器的彈性，例如應用於Windows on Arm筆記型電腦的Qualcomm Snapdragon X Elite SoC之中的Adreno X1繪圖處理器即為例子。

▲ 片段預處理技術能夠畫面上各物件的「深度」與彼此遮擋狀態，然後剔除被遮擋以及不會顯示在畫面上的物件，達到提升遊戲效能與降低整體功耗的效果。

▲ 片段預處理的工作流程為先繪製幾何頂點資訊，進行深度與遮擋的判定，在剔除被遮擋以及不會顯示在畫面上的物件之後，再次繪製可見的物件。

▲ 改進版本具有更理想的剔除效果，且具備無限量的剔除窗口（Unlimited Culling Window），並且可搭配Late Z運算確保透明或鏤空物件後方的其他物件不會被剔除。

▲ Tiler Throughout技術，能夠在將2組多邊型共用邊「融合」成1組，並同時送進Tiler Pipeline（圖塊管線）繪製以減輕幾何運算的負擔。

▲ Immortalis-G925將CVT數量加倍，讓FMA與CVT的數量比值由原本2:1提升到1:1，以提升複雜渲染運算與INT8資料類型ML運算的效能。。

▲ Immortalis-G925提供10~24核心的配置選擇，適合應用於旗艦級智慧型手機，Mail-G725與Mail-G625則分別適合主流智慧型手機與穿戴裝置。

▲ 我們在前文中提到的DSU-120配置範例在筆記型電腦反而沒有納入繪圖處理器是怎麼回事呢？

▲ 其主要原因為Immortalis-G925並不支援DirectX繪圖API，因此在Arm也保留了搭配第三方繪圖處理器的彈性。

如果讀者記憶力夠好的話，或許還會記得筆者在《NVIDIA於GTC宣佈將RTX技術推廣至Arm處理器平台，支援光線追蹤與DLSS》一文中介紹NVIDIA曾在2021年的遊戲開發者大會（Game Developers Conference，GDC）宣布將RTX SDK推廣至Arm處理器平台，並使用Arm架構的MediaTek（聯發科）Kompanio 1200處理器搭配GeForce RTX 3060顯示晶片執行《德軍總部：血氣方剛》與《The Bistro》等支援光線追蹤技術遊戲。

雖然那個專案之後胎死腹中，對應的產品也不聞聲響，而NVIDIA在2023年Computex台北國際電腦展宣布將與MediaTek合作，推出具有RTX顯示核心的Dimensity Auto車用SoC。未來這項合作有沒有機會推廣到筆記型電腦所用的SoC，讓Windows on Arm筆記型電腦搭載Arm架構處理器與NVIDIA繪圖處理器，相當值得期待。