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  • Imagination 發布新一代GPU,全面解讀光追技術在移動端、Chiplet/異構計算在汽車領域的應用趨勢

    2023-01-18 18:20:00 來源:EETOP

    近日,Imagination隆重推出其新一代GPU IP產品IMG DXT。據介紹,DXT高配包括DXT72-2304 RT3,50%的性能增加和計算能力增加,標配達到2.25T浮點運算能力,72GB像素填充能力,9TB的AI推理能力,同時把D4光線追蹤技術進行可配置化、可擴展化,黃金搭檔搭配光線追蹤一起使用。


    DXT產品主要是面向手機游戲。從ABI 2022年的調查顯示,手機游戲用戶會將會從2022年的26億增長到2030年的39億。此外,到2026年,85%的游戲玩家將首選在手機上玩游戲。Imagination認為,手機游戲有三個趨勢是非常值得重點關注的:

    • 越來越沉浸感的體驗。

    • 更高的性能,更流暢的體驗。

    • 低功耗,一直充電或者功耗比較大,這些對手機的玩家也是不可以接受的。


    DXT產品的關鍵技術包括可擴展的光線追蹤技術、可變速的著色技術,以及在手機游戲領域可以提高性能、降低功耗的關鍵技術。Imagination首席營銷官David Harold表示:“隨著移動游戲市場的不斷增長,我們需要平衡該市場對低功耗的要求和對逼真沉浸式畫面的渴望。作為高效移動光追領域的領導者,我們正在加快光追的采用并推動整個生態的發展?!?/p>


    讓光追變得觸手可及


    最近一到兩年,光線追蹤的熱度很高。光線追蹤解決的是讓3D游戲場景中的光照更加貼近真實生活中的折射和反射。Imagination 中國區技術總監艾克介紹說:“IMG DXT可以使移動設備制造商能夠根據自己的設計目標將光追技術集成到他們的系統級芯片(SoC)中。DXT的Photon架構是目前唯一達到光追系統(RTLS)4級的光追設計,這意味著它能夠以業內效率最高的方式提供領先的視覺效果?!?/p>


    Imagination在光線追蹤領域有超過十年的技術積累和開發。根據技術特點的不同,Imagination提出了用于區分光線追蹤等級技術的RTLS系統。

    • 第一級的光線追蹤技術都是軟件實現的,開銷比較大,CPU占用資源比較高。

    • 第二級的光線追蹤技術對一些光和或者三角形碰撞用硬件處理,其實就節省了CPU資源,目前典型的桌面顯卡都是這項技術。

    • 第三級的光線追蹤技術對BVH回溯就有硬件支持,這是光線追蹤描述大場景下的結構,就是大小矩形框把整個場景描述,光線在這里碰撞需要回溯,放在硬件來做的時候能耗功耗比就下來了。

    • 第四級的光線追蹤技術有別于前面,除了光和自動測試和回溯,還能把相同光線上的光數統一計算,可以用統一的指令運行。

    • 第五級的光線追蹤技術是Imagination的儲備技術。


    以前的光線追蹤技術很多都是應用在PC和主機上。這樣的設備,本身的帶寬和能耗的要求是可以得到滿足的。但移動端就不行,因為移動端的能耗和運算帶寬本身受到的限制比較大,所以要盡可能地把這些光線追蹤的能力都部署到硬件級別,才能更好地在移動端解決光線追蹤的問題。2021年,Imagination發布光線追蹤技術,把這項技術引入手機領域,讓手機也能用上光線追蹤技術,當年也因此獲得最佳IP設計獎。


    艾克分享說:“DXT提供的是第四級別。與相同移動配置下的CXT相比,DXT能夠將提供可用光追的面積成本降低40%。開創性的光追GPU將為所有移動設備用戶帶來最先進的圖形技術?!?/p>


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    Vulkan?的片段著色率(FSR)技術


    IMG DXT支持Vulkan的片段著色率(FSR)技術,為開發者帶來了性能上的裕量。FSR在盡可能不影響視覺質量的前提下減少處理的片段數量并大幅提高圖形性能,同時通過減少投射到場景中的光線提高光追的效率,這意味著可以在更小的硅片面積上實現逼真的燈光和陰影。


    FSR是一種可以在幾乎不降低圖像質量的前提下減少片段著色器運行次數的技術,能夠降低占用的帶寬與功耗。開發者可以控制FSR的使用力度,最極端的情況下甚至可以對一個4x4的片段區域只執行一次著色器代碼,從而使工作負載減少近94%,實現同等的功耗和帶寬節省。所解放的性能使開發者能夠利用硬件來完成更多的內容渲染,為玩家打造更高質量的游戲體驗。


    全新三重通用著色器集群USC


    IMG DXT GPU搭載全新的著色器處理單元(SPU)。SPU是一個硅片,包含一個用于計算任務的算術邏輯單元(ALU)和一個用于像素著色、幾何處理和光柵化邏輯的紋理處理單元(TPU)。


    憑借全新三重通用著色器集群(USC)設計(3個ALU/TPU單元),DXT GPU將每個SPU的高端計算和紋理(ALU/TPU)性能提升50%以上,而以前的架構只側重于雙USC設計(2個ALU/TPU單元)。這個改進后的模塊使Imagination能夠創造出最高性能的高端移動GPU--DXT-72-2304,這款GPU在1GHz時鐘頻率下具有72GTexels/s和2.5TFLOP FP32性能。


    █ IP的技術趨勢


    Imagination是世界第四大硅IP,就是硅知識產權的提供商。芯片設計通常由自主設計部分與外購IP組合而成。半導體IP行業處于整個產業鏈最上游,可為芯片設計提供預先設計、經過重復驗證的、可重復使用的功能模塊。當前,IP在芯片設計中的占比有提高的趨勢。


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    Imagination 公司副總裁兼中國區總經理劉國軍分享說:“當前,半導體開發的成本在不斷快速攀升。SoC或者芯片的設計者和提供商對第三方IP的需求將會迎來爆發式增長?!?/p>


    隨著摩爾定律接近極限,IP的發展也出現了兩個尤為關鍵的趨勢。異構變得很重要,Chiplet也變得很重要。劉國軍介紹:“我們的IP,其實過去幾年就在考慮和Chiplet合作,異構計算就更不用講了。我們的GPU、CPUAI都是為支持異構計算來做的!”


    Chiplet和異構集成


    Chiplet,小芯片,又稱為模塊芯片,是系統級芯片(SoC)集成發展到后摩爾時代后,持續提高集成度和芯片算力的重要途徑。它創新了芯片封裝理念,把原本一體的SoC分解為多個芯粒,分開制備出這些芯粒后,再將它們互聯封裝在一起,形成完整的復雜功能芯片。Chiplet最大的優勢是降低成本和提升芯片集成度,且有利于后續產品迭代,加速產品上市周期。


    日前,阿里達摩院發布的2023十大科技趨勢提到,面向后摩爾時代,Chiplet可能將是突破現有困境最現實的技術路徑。Chiplet可以降低對先進工藝制程的依賴,實現與先進工藝相接近的性能,成為半導體產業發展重點。從成本、良率平衡的角度出發,2D、2.5D和3D封裝會長期并存;同構和異構的多芯粒封裝會長期并存;不同的先進封裝和工藝會被混合使用。Chiplet有望重構芯片研發流程,從制造到封測,從EDA到設計,全方位影響芯片產業格局。


    在顯著的技術方案優勢下,Chiplet也早已引來多家巨頭競相布局。進入2013年,更是多家企業相繼發布其Chiplet產品。1月6日,在2023年美國消費電子展(CES)上,AMD發布了首款數據中心/HPC級的APU“Instinct MI300”,這款APU采用的就是Chiplet(芯粒)技術,在4塊6nm芯片上,堆疊了9塊5nm的計算芯片,以及8顆共128GB的HBM3顯存芯片。1月11日,英特爾在北京發布了代號為“Sapphire Rapids”的第四代英特爾至強可擴展處理器,該GPU的一大亮點之一便是,它是英特爾首款基于Chiplet(芯粒技術)設計的處理器,擴展了多種加速器引擎,被英特爾稱為“算力神器”。


    Imagination作為IP領域的領先企業,對Chiple的關注和戰略部署又是什么呢?為此,EETOP特別采訪了Imagination首席營銷官David Harold和Imagination技術產品管理高級總監Stephen Barton。



    EETOP:您如何看待Chiplet對IP企業發展的影響?當前,Chiplet面臨的最大挑戰,您認為是什么?


    David Harold:作為一家IP公司,Chiplet對我們來說肯定是非常值得關注的一個領域,它意味著我們可以把原有的IP進行重復使用。Chiplet應用本身在制造、使用和設計都會更加方便展開這些異構的計算,很多產品做成Chiplet以后可以在裝配前進行提前測試,避免了在裝配完成后才發現測試失敗,沒有辦法通過。在這種情況下,失敗的是單一的Chiplet,不會影響到整個設備和Device。尤其對很多小的、初創型芯片企業,如果需要做SoC的話,那Chiplet將是一個比較好的切入點和新的切入方向。


    當前,Chiplet的最大挑戰就是接口過于碎片化,但這樣的挑戰比起Chiplet的發展給大家帶來的益處而言,未來效果肯定會更好,所以值得大家克服這樣的挑戰。


    EETOP:Imagination在Chiplet領域的推進計劃是怎樣的?您如何看待像英特爾、ADM這樣的大半導體公司在Chiplet領域的發展?如果Imagination開發Chiplet的產品,著力點會放在哪?競爭優勢又是什么?


    Stephen Barton:我們當初設計B系列GPU就已經專門針對Chiplet做了相應的設計,能夠更好地適應未來在Chiplet中的應用。這樣的設計理念和思路也將會延續下去,包括現在的D系列以及以后新的GPU里面。


    David Harold:其實Chiplet是介于IP和芯片組之間存在的形式,英特爾這樣的大型半導體公司就更像是可以利用Chiplet把內部原有的IP技術變得像我們一樣進行IP化,就是把X86往ARM或者RISC5的方向發展,大的半導體公司也會利用這樣的機會拓寬外部的IP市場,一定程度上變得像一家IP公司一樣,通過這樣的方式運營。


    很多異構架構把CPU、GPU、AI和以太網結合到一個Chiplet,這確實可以帶來很多未來先進的應用場景,也有很多機會,會在某些特定的市場上大放異彩。手機上一直推行采用最新的工藝節點和SoC,可能Chiplet不會那么快地展開手機場景中的應用,但其它應用場景比如汽車或者消費電子,Chiplet都是大有可為,我們自己也非常感興趣。


    再加上另外一個趨勢,就是異構計算。我們公司對RISC-V一直都是很有信心的。它一定會帶來顛覆性的、巨大的變化,改變很多的東西,只不過這個過程會是需要時間的,可能是十年以后。我們希望GPU IP可以成為諸多RISC-V架構的首選,現在有很多RISC-V相關的IP Vendor,但能提供GPU IP的并不多,我們希望進一步鞏固這種領導地位。


    EETOP:談到汽車行業,這是大家都非常關注、也是未來非常重要的一個市場。在汽車領域,SoC有一個趨勢,就是把CPUGPU集成在一塊,這個方向是不是未來的技術趨勢?除了這個趨勢以外,SOC目前還有哪些值得關注的方向?Imagination2023年在汽車領域有沒有什么汽車創新和技術部署的規劃?


    David Harold:目前對車輛相關的解決方案有多種不同的設計形式,其中包括異構計算,也有把CPUGPU捆綁整合在一起,放在車輛上的同一位置或者以傳統的方式分開,放在不同的離散連接方式,通過離散的方式連接起來放在車內不同的位置?,F在還不能確定哪種趨勢就已經成為技術路線上的一種主流。我們是比較偏向于異構計算,畢竟我們自己在AI、GPUCPU方面的能力都很強,也有很強的能力合理地在這些不同的芯片中分配合理的工作量。針對這些車輛上的應用有一個關鍵點,不管采用何種方式進行架構的部署,最重要的一點就是所有設備都要符合車規級的要求,達到ISO26262的標準,ISOD和ISOB。


    目前Imagination已經有很多IP應用在數以萬計的車輛,也有相應的其它技術儲備,HMI、ADAS高級駕駛輔助系統,車輛使用的CPU、GPU和這些設備中的連接方式等,而且都是能夠符合車輛功能安全級別。車輛專屬的設計在我看來是比其它的整不整合更加重要的事情,我們現在已經有了專門為車輛應用去做設計的能力、團隊以及心態,這才是目前最重要的一點。


    補充一點,汽車行業真的已經開始越來越多地應用RISC-V架構的CPU,我們第一家RISC-V的客戶就是車企,現在有越來越多的企業嘗試嵌入式的RISC-V,如Google定義未來各種設備都會采用RISC-V,包括移動端,我們認為最先到來的使用RISC-V,大規模的使用場景一定會是汽車行業。


    █ 結束語


    Imagination是世界第四大硅IP,就是硅知識產權的提供商。Imagination有近三十年的技術積累,是以GPU立足行業,核心技術有著非常大的優勢。


    劉國軍分享說:“過去三年,Imagination最大的變化是更換新的CEO、制定公司整體戰略以及中國戰略。新的戰略主要Focos四大應用領域:傳統的Mobile,Consumer、Automotive、Data Centre。其中

    Automotive是Imagination的傳統強項,目前我們的汽車GPU還是市場占有率超過一半。不過,新的GPU既要用于渲染又要用于計算,這是一個新的變化。這也是我們當前面臨的挑戰之一?!?/p>


    緊緊抓住中國市場,是Imagination應對挑戰的關鍵策略之一。據劉國軍介紹,在過去的兩年,Imagination中國業務的增長帶動整個新的Imagination在過去的年增長率達到33%。目前,Imagination正在加大中國的生態建設,從整機廠到游戲廠。


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    劉國軍表示:“作為Silicon IP的主要提供商,Imagination的成功正是跟整個行業、客戶以及合作伙伴一起,生態化發展。希望Imagination擁有這些核心技術以及IP價值位置,能夠給中國半導體既有挑戰又有機遇、有著非常巨大發展潛力的市場做出我們應有的貢獻?!?/p>


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