深度解读GPU在历史上的二三事

历史学家克罗齐有言“一切历史都是当代史”。朱光潜先生注释说 “没有一个过去史真正是历史，如果它不引起现实的思索，打动现实的兴趣，和现实的心灵生活打成一片”，深以为然，是为题记。

笔者学校毕业后第一份工作服务于S3 Graphics。上个世纪90年代初，还是2D图形时代，S3曾经称霸整个显示卡市场。进入3D时代，强敌环伺，不敌ATI， 3Dfx， Nvidia等，渐趋下风。于2000年被威盛收购，仍不见起色，终至一蹶不振，回天乏力。文中关于S3最后命运是这么描述的 “An added issue for S3 was that the cost of building the cards resulted in razor thin profits. The company needed high volume sales in a market dominated by two vendors. HTC were to acquire S3 in July 2012 for $300 million， a move originally seen as leverage in HTC’s and S3’s separate legal disputes with Apple”。

这项交易的背景是HTC作为Android手机第一阵营，风头正劲，苹果为打击Android对手，对HTC发起专利诉讼。同时美国国际贸易委员会（International Trade Commission， ITC）也初步判定苹果侵犯了S3的专利权，HTC希望籍由并购S3获得与苹果谈判的筹码，而该交易中的焦点S3TC纹理压缩专利还是上个世纪S3 Savage产品时代开发的。一个曾经辉煌的公司努力挣扎后获得如此下场，不免让人一声叹息。

Imagination是我颇有好感的一个GPU设计公司。以前服务的公司曾取得过PowerVR SGX IP的授权，所以对其产品相对熟悉，个人觉得其TBDR（关于GPU绘制技术TBDR，TBR和IMR简单说明见文后注释）的设计浑然天成，整体无间，令人心生优美之感。Imagination的前身是Videologic， 从1992年开始图形方面的研究，也就是PowerVR项目，并于90年代中期研制出TBDR技术。

在日本市场，与NEC合作开发，大量供货世嘉的Dreamcast游戏机和Naomi街机系统。另外也与ST Micro携手进军PC图形市场。随着市场环境发生变化，Imagination也进行战略转移，放弃PC市场而专攻移动设备，聚焦IP授权。随着智能手机和平板电脑的兴起，Imagination的GPU IP授权业务获得长足发展。根据2012年JPR公布的移动GPU市场份额来看，Imagination遥遥领先。光鲜之下，危机也在逼近。首先高通

凭借骁龙Soc在移动处理器上的绝对优势，垂直整合，其Adreno GPU的份额一直居高不下。而ARM Mali也不是善茬，”ARM can offer both CPU and GPU designs to 3rd party licensees， this means ARM can offer the CPU and GPU designs together in a bundle， but perhaps more importantly it means they have the capability design the two in concert with each other.“。

利用CPU和GPU的捆绑销售策略，更重要的是技术上协同设计，Mali在GPU IP市场不断摧城拔寨，侵占Imagination的生存领地。而同时Imagination又太过依靠苹果的出货量，也限制了与Android手机芯片客户的进一步合作，这些大客户纷纷开始转用Mali GPU。到2014年，Imagination的市场直线下滑，已经被ARM反超。另外Imagination欣欣向荣之际，收购了MIPS公司，试图进入ARM主导的移动CPU市场，现在回头看不能不说是个败笔，MIPS已经被边缘化，在移动市场几乎没有份额。

2017年4月，Imagination 迎来最惨痛时刻，苹果通知Imagination苹果产品未来15至24个月后将不再使用该公司的技术，随后，Imagination股价瞬间暴跌了近 69%，当天跌幅更是高达75%。要知道苹果是Imagination的最大客户，其支付给Imagination的许可证费用和专利费为其总收入总额的一半，而之前一年Imagination已出现历史上最大的亏损，需要裁员来削减成本，真可谓雪上加霜。目前Imagination已

经被中国资本收购，但在中美贸易战的背景下，整合之路好像困难重重，不知道还有没有机会重拾旧山河。

另外一个有趣的话题是AMD和移动GPU的故事。ATI在2006年收购了BitBoys，并宣布在欧洲成立设计中心。跟Imagination类似，BitBoys是一家提供移动GPU IP的公司，其之前的产品Glaze3D也采用TBR绘制技术。但接着ATI被AMD收购以后，这个被重命名为Imageon的移动设计部门，在2009年竟匪夷所思被6500万美元卖给高通。

依托骁龙Soc，Adreno（与Radeon字母顺序调整下，表示同源？） GPU不断锤炼，终于练成史上最强大的移动GPU，也成为了骁龙Soc核心技术和制胜法宝。在《History of the Modern Graphics Processor》中作者以BitBoys‘ exit and AMD’s blunder为题描述这段过程，并以“in a major lack of management foresight”来形容当时AMD管理层的短视。但最近几年，两大PC GPU巨头Nvidia和AMD也貌似开始重新拥抱TBR绘制技术，见如下有关Nvidia和AMD的报道。

这么看来，2019年三星获得AMD的GPU授权用于手机和平板移动市场就一点不奇怪了。兜兜转转，AMD再次杀入移动GPU领域，一旦成功，移动GPU的江湖保不定会再次掀起血雨腥风。

IMR，TBR和TBDR技术比较

TBR（Tile Based Rendering），把屏幕区域网格化，称为tile，一般是16x16或32x32像素大小，绘制的时候先收集一帧所有绘制命令的几何信息，顶点变换后，计算与每个tile的交集。然后再按tile，依次进行渲染。由于tile比较小，中间的的渲染过程包括深度测试都可以在片上内存发生，只有tile中最终可见像素才会输出到系统内存，极大的地减少与系统内存的交互，对性能，功耗水平都有提升。

TBDR（Tile Based Defferred Rendering），TBR并没有解决overdraw的问题，被遮挡的像素也会进入渲染过程，浪费GPU算力。所以TBDR更进一步，渲染之前引入HSR（Hidden Surface Removal，隐藏面消除）步骤，保证渲染过程只渲染可见像素，被遮挡像素会被提前剔除掉。

IMR（Immediate Mode Rendering）， 简单，粗暴，直接，来什么，画什么。优点是可预测强，debug和profiling都比较容易。缺点是会有大量的内存带宽负载，同时与TBR类似，IMR没有完全解决overdraw的问题，会浪费一部分GPU算力，这些都会引起功耗水平增加。所以一般是对功耗，发热都不敏感的PC GPU会采用IMR技术。

编辑：jq