根據(jù)Grandview Research的預(yù)測(cè)，到2030年全球云游戲市場(chǎng)將超過(guò)200億美元，其中亞太地區(qū)將占據(jù)約45%的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。然而，目前主流的GPU解決方案主要是為數(shù)據(jù)中心計(jì)算而設(shè)計(jì)的，并不適用于云游戲獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)模型。云游戲的盈利能力依賴于在保持高質(zhì)量用戶體驗(yàn)的前提下，每顆GPU能支持的高并發(fā)用戶數(shù)量。

對(duì)于正在開發(fā)云游戲硬件的公司而言，選擇合適的GPU IP將決定其產(chǎn)品能否快速成功進(jìn)入市場(chǎng)，或因延遲而承擔(dān)巨大成本。Imagination的E系列采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證且可擴(kuò)展的架構(gòu)，幫助團(tuán)隊(duì)以更低風(fēng)險(xiǎn)、更佳投資回報(bào)率（ROI）打造差異化產(chǎn)品、加速上市。

任何新硬件若想在激烈競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟，必須在性能、特性與成本上找到正確平衡。關(guān)鍵要求包括：可擴(kuò)展并持續(xù)穩(wěn)定的性能、滿足多用戶服務(wù)場(chǎng)景的能力、對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的全面支持，以及在小面積（降低晶體管成本）與低功耗（降低運(yùn)維成本）下實(shí)現(xiàn)上述能力。

Imagination是著名的PowerVR GPU架構(gòu)的研發(fā)公司。盡管Imagination的IP起源于移動(dòng)、消費(fèi)電子和汽車領(lǐng)域，但近年來(lái)越來(lái)越多的云計(jì)算與個(gè)人計(jì)算定制顯卡廠商采用其GPU IP。例如，芯動(dòng)科技的風(fēng)華系列顯卡便采用了Imagination的GPU技術(shù)。

今年早些時(shí)候，Imagination推出了全新的E 系列 GPU 內(nèi)核：一款高能效的GPU IP，集成32 TOPS INT8的片上AI加速能力，并支持每核16個(gè)虛擬環(huán)境。本文將介紹云游戲顯卡廠商如何基于E系列實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。

云游戲的持續(xù)幀率表現(xiàn)

用于桌面市場(chǎng)的Imagination GPU每核可實(shí)現(xiàn)72 GPixel/s的性能，并可通過(guò)多核技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展（稍后會(huì)詳細(xì)介紹）。持續(xù)性能得益于一系列最大化GPU利用率并降低熱降頻的架構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)：

高效的SIMT執(zhí)行模型：多線程執(zhí)行相同指令提升吞吐量，降低控制開銷；同時(shí)共享指令獲取與解碼階段，提高資源利用率。Imagination最新GPU在每個(gè)著色集群中可支持128條并行線程。

先進(jìn)的調(diào)度能力：細(xì)粒度調(diào)度機(jī)制確保著色器核心保持忙碌，避免停頓，即使在游戲負(fù)載變化時(shí)也能維持高利用率。

強(qiáng)調(diào)本地存儲(chǔ)訪問(wèn)：將中間計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在快速本地存儲(chǔ)中，可減少外部DRAM往返，從而在復(fù)雜視覺(jué)效果中提供更高性能。

基于Tile的延遲渲染（TBDR）技術(shù)：將畫面分成更小的tile并在芯片內(nèi)部處理，可最大程度降低外部?jī)?nèi)存帶寬使用；減少overdraw可在高幾何復(fù)雜度場(chǎng)景中提升效率。（欲了解TBDR在桌面與數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的適用性，請(qǐng)參考相關(guān)博客文章。）

先進(jìn)壓縮技術(shù)：減少系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸量可大幅降低功耗，并提升幀率持續(xù)性。

這些特性相互配合，為云游戲用戶提供穩(wěn)定、無(wú)抖動(dòng)（jitter-free）的體驗(yàn)。它們還與全新的高能效E系列Burst Processor（爆發(fā)處理器）協(xié)同工作，大幅提升性能并降低功耗，使圖形管線始終保持高效運(yùn)行。

爆發(fā)處理器（Burst Processor）改變了計(jì)算邏輯單元處理任務(wù)的方式。它不再每個(gè)周期切換任務(wù)，而是將操作以不可分割的單元提交至計(jì)算邏輯單元，從而避免任務(wù)中斷，并減少對(duì)寄存器存儲(chǔ)器低效讀寫操作的次數(shù)。該方案還允許在ALU內(nèi)部存儲(chǔ)中間數(shù)據(jù)，進(jìn)一步減少寄存器存儲(chǔ)器的讀寫操作量。通過(guò)降低對(duì)寄存器存儲(chǔ)器的整體需求，GPU能有效提升利用率并持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間保持高性能——這正是云游戲需要持久性能表現(xiàn)的理想方案。

為計(jì)算密集型特效提供額外性能

無(wú)論是3A大作還是休閑游戲，如今都越來(lái)越多地包含計(jì)算密集型細(xì)節(jié)。諸如模糊和景深等流行特效需要GPU執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)采樣和數(shù)學(xué)運(yùn)算。為高效處理此類特效，GPU最初演進(jìn)出了通用計(jì)算著色器，而E系列在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步。

E系列的GPU內(nèi)置AI加速功能，在執(zhí)行低精度運(yùn)算（如FP16或INT8）時(shí)，速度比D系列同類產(chǎn)品快4倍。在1GHz頻率下，單顆E系列GPU可提供：

傳統(tǒng)著色器工作負(fù)載：2 FP32 TFLOPS

AI加速渲染：16 FP16 TFLOPS

AI工作負(fù)載與渲染：32 TOPS INT8

E系列GPU內(nèi)置AI加速器集成于統(tǒng)一著色集群（USC）內(nèi)部，以實(shí)現(xiàn)性能最大化并降低帶寬消耗。

最核心的設(shè)計(jì)在于：E系列GPU將矩陣乘法加速功能集成于計(jì)算邏輯單元（ALU）內(nèi)部。相較于在遠(yuǎn)離著色集群的位置增設(shè)獨(dú)立加速單元，這種集成式設(shè)計(jì)顯著減少數(shù)據(jù)移動(dòng)，從而在降低帶寬消耗和功耗的同時(shí)提升性能。開發(fā)者可通過(guò)主流GPU API和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展輕松調(diào)用這些額外性能。

基于E系列GPU的顯卡由此能高效運(yùn)用AI技術(shù)加速渲染流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。云游戲公司可借助超級(jí)分辨率等主流解決方案，更快更高效地生成高分辨率幀，從而實(shí)現(xiàn)單張GPU承載更多玩家的目標(biāo)。

無(wú)縫擴(kuò)展

我們的GPU可通過(guò)提升時(shí)鐘頻率實(shí)現(xiàn)更高性能；更重要的是——這對(duì)云游戲顯卡設(shè)計(jì)師至關(guān)重要——它們能構(gòu)建成多核解決方案。

Imagination創(chuàng)新的多核架構(gòu)無(wú)需直接依賴中央處理單元連接，即可靈活實(shí)例化任意數(shù)量的GPU核心。這有別于傳統(tǒng)GPU可擴(kuò)展性方案——后者受限于所有著色器核心必須連接至單一集中化模塊，該模塊包含集中式內(nèi)存數(shù)據(jù)路徑、任務(wù)管理器及幾何切片引擎。傳統(tǒng)方案常遭遇擁塞與布局靈活性問(wèn)題。

我們的多核擴(kuò)展流程采用去中心化松耦合架構(gòu)，既為芯片設(shè)計(jì)師提供布局與設(shè)計(jì)自由度，又實(shí)現(xiàn)帶寬效率最大化。精心設(shè)計(jì)確保圖形工作負(fù)載能在不同核心間無(wú)縫擴(kuò)展，最大限度減少瓶頸。例如，不同核心上的E系列分塊加速器可同時(shí)處理非依賴性幾何工作負(fù)載，使GPU能快速渲染復(fù)雜的AAA級(jí)游戲。

欲了解Imagination GPU高效擴(kuò)展的更多原理，請(qǐng)參閱此博客。

對(duì)于云游戲顯卡而言，這首先意味著E系列GPU可擴(kuò)展至服務(wù)商期望的性能水平。Imagination的多核解決方案還具備額外優(yōu)勢(shì)：每個(gè)核心作為獨(dú)立GPU，可動(dòng)態(tài)重配置為協(xié)同工作（實(shí)現(xiàn)單用戶性能最大化）或獨(dú)立運(yùn)行（實(shí)現(xiàn)多租戶靈活性最大化）。

采用主-從模式協(xié)同運(yùn)作的多核網(wǎng)格，以實(shí)現(xiàn)單用戶性能最大化。

采用主-主模式運(yùn)行的多核網(wǎng)格，以實(shí)現(xiàn)最大靈活性。

通過(guò)靈活的多用戶能力，使收入最大化

云服務(wù)提供商通常會(huì)設(shè)置不同的價(jià)格等級(jí)，以最大化其收入來(lái)源。因此，不同的用戶需要不同級(jí)別的圖形性能，而云游戲GPU則必須具備高度靈活的工作負(fù)載分配能力來(lái)滿足這些差異化需求。

為此，我們的GPU IP集成了一個(gè)智能固件處理器，能夠直接處理GPU事件。它負(fù)責(zé)管理與其他GPU核心及第三方處理器之間的交互、對(duì)渲染任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，以及處理錯(cuò)誤與調(diào)試。這與許多依賴CPU和驅(qū)動(dòng)棧進(jìn)行調(diào)度的GPU IP供應(yīng)商不同，后者無(wú)法提供同等水平的靈活性。

這個(gè)智能固件處理器使E系列GPU能夠支持多種云游戲場(chǎng)景：從在單顆GPU核心上運(yùn)行多個(gè)容器，到將多個(gè)核心組合并動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)跨核心的工作負(fù)載，以提供最大化的單用戶體驗(yàn)。

虛擬化是云環(huán)境中另一項(xiàng)關(guān)鍵的多任務(wù)技術(shù)。它可以用于保障高端用戶的安全與隱私，或支持遠(yuǎn)程桌面等使用場(chǎng)景。對(duì)于服務(wù)提供商來(lái)說(shuō)，在一顆GPU上承載多個(gè)虛擬機(jī)（VM）也有助于實(shí)現(xiàn)故障隔離，避免其中一個(gè)虛擬機(jī)的崩潰影響到其他玩家。

E系列GPU提供先進(jìn)的基于硬件的虛擬化方案（HyperLane），每核可運(yùn)行多達(dá)16個(gè)不同的操作系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)完整的內(nèi)存隔離、無(wú)干擾、服務(wù)質(zhì)量（QoS）保障和任務(wù)優(yōu)先級(jí)控制。由于HyperLane是硬件級(jí)方案，其性能更高、軟件復(fù)雜度更低，相比其他軟件虛擬化方式具有明顯優(yōu)勢(shì)。

想了解更多關(guān)于Imagination獨(dú)特虛擬化技術(shù)的信息，請(qǐng)參閱相關(guān)白皮書。

以ROI為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)

Imagination的產(chǎn)品可以擴(kuò)展至云級(jí)性能，但我們的GPU架構(gòu)即便在高性能條件下也保持其著名的面積效率和功耗效率。我們堅(jiān)持“以更少實(shí)現(xiàn)更多”的理念，這在云市場(chǎng)中尤為關(guān)鍵。對(duì)面積敏感的架構(gòu)可以降低定制芯片的開發(fā)成本，提高新方案的競(jìng)爭(zhēng)力；低功耗產(chǎn)品則有助于服務(wù)商控制能源成本。

E系列進(jìn)一步提升了Imagination的效率水平：

• 提供超過(guò)D系列3倍的計(jì)算性能密度

• 在采用神經(jīng)核(Neural Cores)和爆發(fā)處理器(Burst Processors)后功耗效率提升最高可達(dá)35%
• 成熟的軟件生態(tài)體系

云游戲平臺(tái)可以放心依賴Imagination GPU提供強(qiáng)大的軟件支持，以運(yùn)行當(dāng)今最具挑戰(zhàn)性的游戲大作。隨著云端Android休閑游戲在市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)，Imagination在Android生態(tài)中的深厚積累——基于多年來(lái)在移動(dòng)領(lǐng)域的領(lǐng)先經(jīng)驗(yàn)——使其成為值得信賴的選擇。

我們的GPU完整支持Khronos Group的主流移動(dòng)圖形API：

Vulkan

OpenGL ES

確保從設(shè)備到云端順暢、可擴(kuò)展的游戲體驗(yàn)。

在PC游戲方面，我們最新一代GPU增加了對(duì)DirectX的硬件級(jí)支持，而E系列進(jìn)一步擴(kuò)展至支持DirectX 12，并提供高性能PC游戲的參考驅(qū)動(dòng)。對(duì)于較老的游戲，E系列也通過(guò)ZINK框架支持OpenGL 4.6。

結(jié)語(yǔ)

隨著云游戲的快速增長(zhǎng)，特別是在中國(guó)等關(guān)鍵市場(chǎng)，硬件設(shè)計(jì)者需要一種在性能、可擴(kuò)展性與能效之間取得平衡、沒(méi)有妥協(xié)的GPU IP。Imagination的E系列GPU架構(gòu)提供了極具吸引力的解決方案——將強(qiáng)大的圖形渲染、AI加速、多用戶能力與功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)融為一體。

無(wú)論您面向的是大眾休閑云游戲市場(chǎng)，還是高端AAA游戲體驗(yàn)，E系列都具備足夠的靈活性和強(qiáng)大能力，幫助您的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)差異化，并加速上市進(jìn)程。憑借在多個(gè)行業(yè)中的成熟部署與對(duì)主流API的廣泛支持，E系列是下一代云游戲硬件的不二之選。

如需了解有關(guān)E系列的更多信息，請(qǐng)閱讀預(yù)覽白皮書，或聯(lián)系Imagination團(tuán)隊(duì)安排評(píng)估。

英文鏈接：https://blog.imaginationtech.com/building-custom-graphics-cards-for-cloud-gaming

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