ARM也玩3D，看手機上的GPU世界

以前好像只有PC平台追求顯示效能、3D效果，但隨著時代改變，iPhone那像絲一般的順暢操作體驗、及手機3D遊戲所帶來的驚人華麗效果，不僅讓使用者眼界大開，也讓食古不化的傳統行動終端開發者終於醒悟：重視行動終端的人機介面使用體驗，已經變成為一部行動裝置成功的條件。

隨著iPhone、Android等手機作業系統都將桌面的3D加速納入必要支援條件，3D效能的話題也從PC平台，延燒至行動平台上。但明明iPhone上面顯示的只有2D桌面，為何要扯到3D加速？事實上，iPhone的桌面動畫效果是基於Core Animation技術，而這個技術正是根基於OpenGL這個著名的3D標準，在行動應用上稱為OpenGL ES。

▲iPhone帶來 的不是硬體設計的革新，而是人機介面的進化。

相較之下，如WM系統的2D畫面要透過老舊的GDI介面處理，整個流程由CPU親自計算，如果背景有其他程式在執行，那系統的畫面切換反應更會遲緩不堪。透過GPU加速，以及關鍵動畫畫格插補技術，加上非常霸道的單工規定，iPhone才能利用與傳統WM產品相去不大的SoC硬體，呈現出順暢異常的畫面移動效果。

▲主流行動作業系統的介面呈現主要是透過OpenGL ES，並取用GPU的硬體加速能力。

WebGL來助陣

Android師法了iPhone在2D桌面環境採用GPU加速的作法，同樣也是利用OpenGL ES來處理桌面捲動與畫面切換特效。除了2D桌面以外，未來也有個叫做WebGL的網頁標準，如果成功推廣，那麼網頁瀏覽器的成像引擎（如WebKit或Gecko）都可以利用GPU來加速網頁內容的成像。屆時，CPU的工作就變得非常單純，就是躲在背後負責資源控管、邏輯運算，眼睛看得到的地方都會透過GPU來完成。

OpenGL ES在手機桌面的工作，主要是用來處理灰階負載影像、映像、文字及背景。視桌面圖形複雜度，每秒約處理200個以內的多邊形，此外，透過像是即時調整對比、亮度及彩度、衍射與景深／模糊等後處理，也能為桌面帶來相當炫麗的即時效果， 缺少GPU的輔助處理，那可能會讓這些轉場效果有如幻燈片一般遲滯。

除了行動平台以外，數位電視、STB等家用娛樂系統也常採用ARM架構，光在介面顯示上，若處理每秒30格的1080P影像，每秒最少要有120MPix/s 原始像素填充速率，加上各種線性過濾處理，花在畫面的計算能量可能要高達3.2GFLOPS以上，傳統CPU架構或2D繪圖控制器絕對無法負擔這樣的工作。

主流GPU：PowerVR

正因如此，3D加速在各種平台上也越來越受重視。目前在ARM平台上，PowerVR是最主流的3D顯示核心，其次是出自於ATI，被Qualcomm所併購的Adreno核心，接著便是NVIDIA使用在Tegra之中的GeForce核心。

PowerVR不僅在行動應用領域佔有大部分的市場，不久前也跨過界，成為Intel行動處理器Atom的顯示核心（可見GMA有多麼不堪），雖說最高階產品的理論效能只有接近NVIDIA或AMD的桌機、筆電低階產品的水準，但其功耗表現上的優勢，加上SoC整合繪圖核心的趨勢催化之下，在相關應用領域享有領導地位。

▲目前PowerVR算是行動應用領域最普及的GPU架構之一。

雖然NVIDIA與ATI都針對行動平台提出解決方案，但是這些解決方案都是獨立顯示晶片，不僅昂貴，而且要佔用寶貴的電路板空間，加上功耗表現也不符行動應用需求，因此兩家的顯示方案只有在少數的產品裡出現，ATI被AMD併購之後，AMD也覺得行動繪圖核心實乃雞肋，食之無味，棄之又可惜，因此把相關技術轉售給Qualcomm，榨取最後的剩餘價值。

NVIDIA的行動顯示方案GoForce其實也面臨類似的狀況，但與AMD不同的是，NVIDIA把GoForce整併進Tegra的計畫內，為自家創造出另一個產品線，但自此，NVIDIA也不再提供繪圖晶片給其它行動平台製造商。

ARM與PowerVR哥倆好？

話說PowerVR的崛起，其實ARM也扮演著關鍵性的角色，擁有PowerVR產品技術的Imagination公司跟ARM恰巧是同鄉，皆為英國公司。一開始，Imagination只是家IP授權界的菜鳥，推的又是當時冷門的繪圖核心IP，在業務推展上頗為艱辛，因此，ARM若有客戶需要SoC繪圖IP需求時，便會順道介紹Imagenation給客戶，經過了幾年，Imagination在繪圖核心IP授權業務上漸有起色，3D加速能力開始被業界重視，ARM自己卻尷尬了起來。

我們都知道，ARM在授權IP時，會依照不同的功能區塊來加以計算，而因為一般運算模式的轉移，多媒體應用抬頭，相關的計算強化模組（如NEON等DSP計算單元）近來也逐漸熱門，ARM自己也透過併購手段，取得了相當多多媒體編解碼IP，在相關領域投入非常多的資源。但是Imagination公司的PowerVR繪圖核心卻開始撈過界，不僅開始整合自己的多媒體編解碼模組，甚至也開始搞自己的多執行緒CPU核心，雖然與ARM的泛用取向有所不同，但是重疊之勢在所難免。

Mali繪圖核心登場

企業為了求得更大的利益，擴大客戶基礎本來就是天經地義的事情，因此產品線客戶族群的的切割、甚至新產品線的創造，有時候就無法避免跟原本的市場領導者互相重疊。ARM原先就是處理器IP市場的領導者，而Imagination則是繪圖IP的領導者，面對市場對3D加速能力的需求，ARM也開始思考推出自己的繪圖核心，也就是Mali。

處理器IP與繪圖IP的架構與設計概念上有很大的差別，ARM再厲害也沒辦法無中生有，而且還要跟市面上的同質產品競爭，從頭研發顯得緩不濟急，因此ARM決定透過併購的手段，取得了相當優秀的Mali技術架構。與PowerVR架構最大的不同是，Mali是非常純粹的繪圖核心，由於ARM處理器部分已經加入了大量SIMD單元，足以肩負起相當程度的多媒體編解碼加速，再者，ARM也強調技術來源的統一性，避免來自不同公司的IP之間互相配合、驗證，導致各自的技術認知不同，使得開發時程延長。

ARM原先只有CPU部分的IP，但是經過這些年來的併購，除了部分類比IP以外，ARM幾乎已經能夠通吃包含CPU、DSP、GPU，以及許多軟體加解密、多媒體編解碼、通訊介面等不同的IP，ARM也開始打出一站到位的IP授權方式，把很多IP包一包一次賣。重點是，ARM也不會便宜賣，而是讓開發者省了過程中的整合驗證時間，所謂時間就是金錢，ARM也自信其方案能讓客戶縮短開發時程，讓產品能夠準時上市，藉此提高客戶的獲利。

1. 中低階Mali 55

回過頭來看Mali，他是個相當標準的GPU核心，核心部分並不像其他GPU整合了多媒體加速單元（因為都在CPU那邊了），目前有分出三大產品線，分別是Mali 55、Mali 200與Mali 400。Mali 55的多邊形成像能力為每秒300萬個，採用65nm低功耗製程，尺寸僅1mm^2，支援OpenGL ES 1.0，主要應用在中低階手機平台、數位相框、導航系統等較小，較輕薄省電的產品。

▲未來全3D化的導航產品將成潮流，這也是Mali 55可發揮之處。

2. 中高階Mali 200

次高階的Mali 200具備每秒1600萬個多邊形加速能力，與市面上的主流產品相當，大約等於PowerVR SGX530的程度。這款繪圖核心支援了完整的OpenGL ES 2.0規範，能夠應用在一般時下流行的手機基頻、高階應用處理、導航裝置之中。

3. 最高階Mali 400

至於Mali架構中最高階的Mali 400，是一款可延伸性相當高的多核GPU架構。單核多邊形處理能力為每秒3000萬個，但最高可使用4個核心，不過其多核心只是增加像素處理部分，與多邊形相關的Vertex Processor並沒有跟著增加，所以在最高四核心的配置下，依然只有3000萬個多邊形，但像素處理能力則是增加到10億個pixel。

▲電視及STB產品的智慧化，帶來顯示介面與內容編解碼能力的需求。

雖然說Mali架構GPU核心在行動平台上還算少見，但是在HDTV、STB之中應用的廣度已經相當高，未來Android或Google TV的加入，對於視覺強化的需求也會更迫切。ARM的Mali架構雖然不是市面上所能取得最高效能的產品，但是其重視均衡性，以及與原有CPU進行完整工作分配的應用概念，是其最大優勢。

目前市面上的嵌入式GPU，除了NVIDIA以外，其它都是Tile Based成像，且是unified shader架構，架構上差不多，潛力也相近。在IP授權領域，PowerVR要寄人籬下，但Mali有ARM這位富爸爸，雖然理論性能方面並不是最強，不過嵌入式繪圖技術不像PC繪圖品般追求絕對效能，而是以均衡為重，藉由ARM的力拱，很難看出Mali有什麼成功不了的理由。