Imagination PowerVR架构30年：从世嘉游戏机，到芯动桌面显卡

来源：电子工程专辑

作者：黄烨锋

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今年是Imagination的PowerVR架构诞生30周年——电子工程专辑最近特别采访了Imagination，以期了解这段颇具传奇色彩的架构历史。Imagination告诉我们1992年PowerVR刚刚诞生之时，公司还叫作VideoLogic——这家公司创立至今已经有37年的历史了。

翻看GPU发展史，Imagination还真是参与到了此前图形加速卡众神厮杀、生态你追我赶的时代。Imagination公司的元老之一Simon Fenney（现在是Imagination的Research Fellow）前些年还在博客上回顾了1997年Imagination的PowerVR，与S3 Virge、ATI Rage，还有和3dfx之间的比较。这些名字都算相当久远了吧。

借着PowerVR 30周年之际，我们来聊聊PowerVR这些年的发展——多少也能从中窥见GPU的历史之路。尤其Imagination格外拿手的TBDR（分块延迟渲染），到现在应用于移动平台的Photon光追架构，也算是GPU发展史的一支了。本系列文章会分成上下两篇，上篇简单回顾PowerVR这30年走过的历史，下篇则将从技术角度来剖析Imagination引以为傲的TBDR架构。

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游戏机，PowerVR声名鹊起的最初

现在大部分同学了解Imagination PowerVR应该是基于其在移动市场的表现。不过作为一个80年代就建立的企业，Imagination在建立后不久，图形技术和市场本身也开始了井喷式的发展。最初VideoLogic在图形、声音加速、家庭音频系统、视频捕捉、视频会议系统上都有涉足。不过1992年，公司开启了一个新项目，也就是后来的PowerVR。Simon Fenney也是这一时期加入的公司。他在博客中说，1992年公司开启了一个名为Trident Project的项目。根据Simon的回忆，Martin Ashton、Tony McClaren和他三人，促成了现在PowerVR GPU的TBDR（Tile-Based Deferred Rendering）架构雏形。Imagination在采访中说：“第一代设备（从1992-1993年的原型到1995年左右推出的PCX1和PCX2）使用较低级别的基元（primitive），也就是无限平面（infinite plane）来进行物体建模。”“尽管无限平面基元的效率可能不错，但问题在于业界只使用三角形（或四边形）。”所以“第二代设备ARC1、CLX2（用于世嘉Dreamcast）和‘Neon 250’开始使用三角形渲染。”...“后来的几代产品增加了着色器（shader）并且可以在移动设备上进行硬件图形处理。但所有这几代产品的共同点是底层TBDR技术。”

最初的FPGA原型板，被Imagination称作是首个基于TBDR的板。这块板曾亮相于SIGGRAPH 93。不过Simon说，最初带着这块板四处去宣传的过程并不算顺利，花了好大的功夫才有机会向潜在客户做演示。起初一行人将产品定位于当时很火的街机系统。当时VideoLogic选择了与NEC合作，最初就有了技术授权方面的动作。PowerVR Series 1的目标市场就是街机系统。在原型产品Midas 1和2之后，真正出现在市场上的是Midas 3。从介绍来看，Midas 3至少包含了ISP（Image Synthesis Processor）和TSP（Texture and Shading Processor）以及一颗桥接芯片。ISP可以弹性扩展，街机可以用2-4个ISP。这里可以看出当年的图形加速卡和现在的GPU还是有很大差别的。Midas 3也应用到了PC设备上，出现在了彼时康柏（Compaq）的机器里。PowerVRPCX1Imagination所说的PCX1实际上也就是Midas 4：基本是将3颗Midas 3芯片放到1颗芯片中（如图），基于0.5μm工艺，PCI接口、64bit 4MB显存、核心频率60MHz。据说当年康柏希望只用1MB或2MB的RAM，VideoLogic则努力说服康柏4MB才是PCX1的最佳搭配。后续的PCX2工艺提升到了0.35μm；其中新增了双线性过滤（bilinear filtering），简化了驱动工作，同时核心频率进一步增加。据说当时采用PCX2芯片的Apocalypse 3DX显卡在性能上超越了彼时的Voodoo。当时有报道说PowerVR Series 1的市场份额曾达到仅次于3dfx Voodoo的程度。

初期真正令PowerVR名声大噪的恐怕是PowerVR Series 2进入到了世嘉的Dreamcast游戏机中（这段历史还有3dfx、英伟达参与的爱恨情仇，有兴趣的同学一定要去查一查）——也就是土星机的后继者，发布于1998年底；同期PowerVR Series 2也进入到了世嘉Naomi街机中。

这代产品也是和NEC合作的。凭借着这代产品，到1999年NEC光是出货给世嘉的PowerVR Series 2芯片就超过了100万。从可循的资料来看，DC游戏机的出货量超过了1000万台。

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改名Imagination，与移动设备图形计算现代化

对前期的VideoLogic而言，1999 年PowerVR还迎来了ST（意法半导体）这个大客户，当时ST面向PC的图形与视频加速卡就是采用Imagination的PowerVR Series 3，代号叫Kryo。这代产品支持DX6、EMBM（environment bump map），只不过并不支持当时崛起的硬件T&L（tranform, clipping, and lighting）。值得一提的是，得益于TBDR架构，Kyro的核心面积很小、发热也低，所用晶体管数量远低于同期竞品。另外这一年的一个大事件是，公司正式改名为Imagination Technologies：也不光是改名，在策略上同时转向了专注在IP授权方向。根据Imagination的说法，是要在街机、家用游戏主机、PC等市场之外，持续做扩展，所以选择了将注意力集中到IP授权。当年的Hercules3DProphet4000XT显卡，基于Kyro芯片Imagination和ST同类型产品合作还是延续了好些年的。2001年的Kyro II有段时间在欧洲市场被称作MX400杀手。但PowerVR也是直到计划中的Kyro III，也就是基于PowerVR Series 4的显卡，才正式加入了硬件T&L支持；只不过这一时期ST已经决定关闭图形业务了，Kyro III也就未能正式问世。同期的桌面显卡混战局面宣告结束。不过也是这一时期- 2001年之后，Imagination在移动、汽车和医疗市场开始有所斩获。PowerVR在移动图形市场大获成功的是PowerVR MBX；MBX以及之后的SGX（Series 5），更是让Imagination在移动市场全面开花。当时这俩架构授权给了包括Intel、德州仪器、三星、NEC、NXP、Freescale、瑞萨、Sunplus在内的多个市场巨擘。回顾最初进入移动市场，Imagination（90年代后期）认为当时移动设备的图形处理能力都非常弱，PowerVR一定能够凭借低功耗设计，在移动视觉应用上掀起新的浪潮。PowerVR MBX除了TBDR架构之外，也开始采用现在很多人应该都知道的PVRTC纹理压缩技术——现在类似的技术似乎稀松平常了，在当时却相当具有开创性。实际在图形管线的数据压缩上，在之前的解析文章里也提到过Imagination目前的技术方案。作为节约带宽、提升效率的重要技术组成，Imagination此前还将渲染过程中几乎所有数据，都做了压缩。这其中除了PVRTC纹理压缩（还有ASTC等）以外，还包括图像压缩IMGIC（接替了此前的PVRIC），和几何压缩PVRGC。当然这就是后话了，尤其IMGIC是近代架构更新中才引入的。2005年PowerVR SGX架构问世，首个SGX核心面向的就是主流、高性能移动图形计算，特性方面能够全面满足OpenGL ES 2.0 shader需求；这代产品也随之引入了PowerVR视频编解码IP。于是这一时期前后，Imagination GPU相继出现在了苹果iPhone、诺基亚N96、索爱P1、摩托罗拉刀锋等明星手机产品中。另外对Imagination而言，颇具标志性意义的一件事情也在于到2012年，SGX架构(Series 5XT）进驻索尼游戏掌机PS Vita——算是睽违多年的市场，Imagination对此还是颇为津津乐道的。另外2007年iPhone开始采用PowerVR架构GPU，不仅是对Imagination，对整个移动图形技术市场而言都具备相当价值——开发者生态自此开始大举建立，手机上的3D游戏逐步崛起。与此同时，2014年SGX架构中的Series 5XE开始下探更低功耗的产品，包括可穿戴、IoT和嵌入式应用，甚至还有类似打印机这样的企业级设备。

要说移动设备GPU的技术真正走入大众视野，而不仅限在被一小撮工程师人群所知，应该是2014年Imagination主动找到了媒体，透露了有关其PowerVR Rogue架构的部分技术细节，虽然大部分内容并未阐述详细，却也是普罗大众真正首次了解到原来移动GPU架构是长这样的。当时Imagination愿意对外公开这些资料，也是因为那一时期移动GPU陷入到“核心数”竞争的怪圈，而Imagination的GPU架构决定了PowerVR在核心数方面并不占优，因此需要向市场科普GPU“核心”究竟是什么的问题。不过不可否认的是，也是从Imagination的这一市场动作开始，其他移动GPU竞争对手也纷纷以更开放的姿态公布属于自己的架构技术与特性。也是从PowerVR Rogue，也就是Series 6（也包含后续的Series 7，和部分Series 8/9）开始，业界开始留意到PowerVR相较同期的其他移动领域竞争对手领先几个身位的性能和能效表现。这一时期正值iPhone 6热卖，加上iPad Air 2的图形性能，PowerVR Rogue还是惊艳了不少人的。似乎也是从这代产品开始，架构集齐了PVR3C三重压缩的系统级优化。后续PowerVR Furian架构发布，这代架构继续提升了性能和性能密度。值得一提的是，PowerVR GPU同期开始把触角伸展到了图形渲染之外——这也是当代GPU厂商普遍会走的路。PowerVR同期借助对于OpenCL、Renderscript、Filterscript等的支持，在CV和AI领域发挥作用。从Imagination提供的数据来看，2001年采用其PowerVR的产品出货量超过1500万；而到了2008年，其消费产品出货量就突破了1亿；2010年这个数字就再度发展至大约2.5亿，2013年跨过10亿大关。2017年Imagination回顾PowerVR架构25周年还提到，PowerVR产品出货量突破40亿，其市场覆盖了电视、流媒体设备、手机、平板、手表、VR、汽车、游戏、Chromebook等。

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进入另一个纪元的PowerVR

从Imagination的角度出发，自公司80年代成立至Furian架构发布，公司层面的各种操作也非常多样，光是技术相关的收购操作就一大堆，包括Ensigma、Cross Products Limited、HelloSoft、Caustic Graphics等等。另外在股权结构上，东家们也算得上你来我往，比如NEC上世纪曾一度持有Imagination 3.5%的股份；Intel则在2006年前后拿到Imagination约2.9%的股份，2009年Intel最高持有Imagination的股份一度高达16.02%；2008年，苹果买下Imagination约3.6%的股份......这些企业多少也都与PowerVR架构的发展有一些关系，只是并非本文要探讨的重点。2017年9月，私募基金凯桥资本（Canyon Bridge）宣布收购Imagination。两个月后交易就获得通过，Imagination也从伦敦证券交易所摘牌。Imagination在博文中说，自此以后Imagination的历史翻开了新的篇章。从技术角度来说，PowerVR的确也是在此以后续写了全新的架构。2019年IMG A-Series架构发布，当时我们还对新架构做了剖析。自IMG A-Series之后的架构惊人之处在于性能的大幅跃进，Imagination说A-Series相比此前的PowerVR Series 9，性能密度至多增长了250%。这代新架构重新设计了ALU，还有HyperLane虚拟化技术以及AI Synergy。当然不变的传统仍然在于TBDR。似乎随A-Series的发布和性能密度的暴涨，这些也给Imagination带来此间20年的首个桌面级GPU授权客户。而且2020年年初，苹果和Imagination又再度签署了多年的授权协议。这也算是Imagination就企业层面面临一波动荡后的回归。其实在A-Series架构发布会上，Imagination就预告了B-Series、C-Series的存在和性能提升预期——当时看起来还是挺不可思议的。不过很快Imagination还真是发布了IMG B-Series。其中的BXT基于多核弹性化设计，性能提升最高达到了A-Series的4倍。

InnosiliconFantasy1这一时期的重要事件是，Imagination收获了芯动科技（Innosilicon）这个于国内众所周知的客户，IP应用到了芯动的Fantasy风华显卡产品线。目前桌面级的芯动Fantasy 1风华1号和Fantasy2 风华2号显卡均已供货。Imagination提到该产品系列中的Type-A显卡会采用16GB GDDR6x显存、128bit位宽，基于BXT-32-1024提供5 TFLOPS算力；而Type-B则会采用双芯方案，达成最多2倍的性能。值得一提的是，B-Series也扩展出了BXS家族。这是面向汽车的IP产品，其中有一些专门的特性，比如说Tile Region Protection；据说这也是首个满足ISO 26262安全标准的GPU IP。

PowerVR近代史上十分重要的一件事还在于2021年底发布的IMG C-Series架构。PowerVR Photon光线追踪架构部分应用到了C-Series GPU IP上。就IP层面，在移动平台做硬件级光追加速的，Imagination走得还是相当超前。就光线追踪的技术储备，似乎可以追踪到2010年Imagination收购Caustic Graphics，这就是个做软硬件实时光追图形技术的企业。Imagination说自家的原型光追硬件，最初是在2016年的CES展会上对外做演示的，按照Imagination宣传的RTLS（光追等级系统）分级标准，处于Level 5（Coherent BVH processing with BVH hardware builder）。基于Photon的CXT架构的目标等级是Level 4（BVH processing with coherency sort in hardware），并完整支持业界标准的Vulkan RT光线查询和光线管线扩展。可见在规划上，Imagination的硬件光追实现具有相对比较长的历史, 在性能上Imagination 犹有余力, 据介绍其产品可以达到更高RT等级。我们知道，光线追踪对硬件算力和功耗需求很高，于移动平台的暴力实现也并不合理。所以PowerVR在设计上特别加入了“coherency sorting”相干性排序：这一特性会对具有相干性的光线做排序，比如某些材质反射同方向光线做分组，可以达成更高的数据复用率，提升并行ALU管线利用率。Imagination在技术白皮书中说，coherency sorting对于光线追踪的价值，相当于TBDR对于GPU效率的价值。C-Series中的IMG CXT被Imagination称作现如今在能效方面最先进的光线追踪解决方案，预计基于该架构的实际芯片产品会在2023年问世。这是一个全新的战场，对任何市场参与者而言都如此。另外，Imagination透露不久还将有新产品发布。

实际在2017-2019年前后，Imagination曾面临过多次企业层面的动荡。不过在新篇章的IMG A-Series发布至今，PowerVR仍然以充满活力的方式迎接着电子产业与图形世界的未来。Imagination说到2022年，公司已经在汽车HMI图形市场占据超过50%的份额，移动图形市场占比也超过35%。这个成绩的获得对拥有30年历史的PowerVR架构而言还是很不容易的。毕竟兜兜转转的几十年GPU发展史，多少原先的市场参与者都已经不在了。其实本文还没怎么涉及到PowerVR计算机视觉和AI产品线。不过在动荡期过后，PowerVR的确正以全新的面貌尝试进驻更多万物互联的市场。本文的下篇，我们会着重描绘Imagination长期以来引以为傲的TBDR技术。Imagination也将参与即将于11月10日在深圳大中华交易广场举办的IIC深圳（2022国际集成电路展览会暨研讨会）。届时Imagination中国区董事长白农将在同期举办的全球CEO峰会上发表主题演讲。IIC是由Aspencore主办的电子产业权威交流平台。展会设置IC设计专区、分销与供应链专区、综合展区等，集合了国际国内最顶尖的电子科技产业领袖。同期还将举办全球CEO峰会、全球分销与供应链领袖峰会、国际工业4.0 技术与应用论坛及第24届高效电源管理及功率器件论坛。