PowerVR: Графикалық аппараттық және бағдарламалық құралдары

Кіріспе

PowerVR – графикалық аппараттық және бағдарламалық жасақтама бренді, Imagination Technologies (бұрын VideoLogic) компаниясының бөлімшесі. Ол 2D және 3D рендеринг, бейне кодтау, декодтау, бейне өңдеу және DirectX, OpenGL ES, OpenVG және OpenCL үдеткіштері үшін аппараттық және бағдарламалық жасақтаманы әзірлейді. PowerVR сонымен қатар Neural Network Accelerator (NNA) деп аталатын жасанды интеллект үдеткіштерін де әзірлейді. PowerVR өнімдерінің желісі бастапқыда 3dfx Interactive сияқты бұрынғы өнімдерге қарағанда жақсы баға-өнімділік қатынасына ие өніммен үстелдік компьютерлер нарығында 3D аппараттық үдеткіштерімен бәсекелесу үшін ұсынылды. Бұл нарықтағы жылдам өзгерістер, әсіресе OpenGL және Direct3D енгізілуі, жылдам консолидацияға әкелді. PowerVR ноутбуктер нарығына бағытталған төмен қуатты электроникамен жаңа нұсқаларын ұсынды. Уақыт өте келе, бұл қолға ұсталатын құрылғыларға арналған жүйе-чип архитектурасына енгізілетін бірнеше жобаларға айналды. PowerVR үдеткіштерін PowerVR өндірмейді, олардың интегралдық схемалардың IP блоктары мен патенттері Texas Instruments, Intel, NEC, BlackBerry, Renesas, Samsung, Sony, STMicroelectronics, Freescale, Apple, NXP Semiconductors (бұрынғы Philips Semiconductors) және тағы да көптеген компанияларға лицензияланады.

Технология

PowerVR чипсеті 3D рендеринг әдісін қолданады, ол плиткаға негізделген кейінге қалдырылған рендеринг (жиі TBDR деп қысқартылады) деп аталады. Бұл плиткаға негізделген рендерингті PowerVR-дің жасырын беттерді жою (HSR) және иерархиялық жоспарлау технологиясының (HST) эксклюзивті әдісімен біріктіреді. Көпбұрыштарды құру бағдарламасы PowerVR драйверіне үшбұрыштарды жіберген кезде, оларды үшбұрышты жолақ немесе индекстелген форматта жадыда сақтайды. Басқа архитектуралардан айырмашылығы, көпбұрыштарды көрсету әдетте ағымдағы кадр үшін барлық көпбұрышты ақпарат жиналғанға дейін жүргізілмейді. Сонымен қатар, пикселдерді (немесе фрагменттерді) текстуралау және көлеңкелеу сияқты есептеулер, мүмкіндігінше, пикселдегі көрінетін бет анықталғанға дейін кейінге жылдырылады – сондықтан рендеринг кейінге қалдырылады. Рендеринг үшін дисплей тіктөртбұрышты бөліктерге, тор түрінде бөлінеді. Әрбір бөлік плитка деп аталады. Әрбір плиткаға сол плиткамен көрінетін үшбұрыштардың тізімі сәйкес келеді. Соңғы суретті алу үшін әрбір плитка кезекпен рендерингтеледі. Плиткалар сәулелі құюға ұқсас процесспен рендерингтеледі. Сәулелер сандық түрде, плиткамен байланысты үшбұрыштарға бағытталғандай симуляцияланады және камераға ең жақын үшбұрыштан пиксел рендерингтеледі. PowerVR аппараттық құралы әдетте бір цикл ішінде бір плитка қатары үшін әрбір көпбұрыштың тереңдігін есептейді. Бұл әдістің артықшылығы – дәстүрлі, ерте Z-тексеруге негізделген иерархиялық жүйелерден айырмашылығы, басқа геометриямен жасырылған аймақта көпбұрыш қалай көрінетінін анықтау үшін қосымша есептеулер жасаудың қажеті жоқ. Бұл жартылай мөлдір көпбұрыштарды да дұрыс көрсетуге мүмкіндік береді, оларды көпбұрыштарды құратын бағдарлама қандай ретпен өңдесе де. (Бұл мүмкіндік тек Series 2-де, соның ішінде Dreamcast және бір MBX нұсқасында қолданылды. API қолдауының болмауы және құны себепті әдетте қолданылмайды.) Ең маңыздысы, рендеринг бір уақытта бір плиткамен шектелгендіктен, бүкіл плитка чип жадында жылдам болуы мүмкін, ол келесі плитканы өңдеуден бұрын бейне жадына жіберіледі. Әдетте, әрбір плитка кадрда бір рет қарастырылады. PowerVR плиткаға негізделген кейінге қалдырылған рендерингтің пионері. Microsoft та өздерінің тоқтап қалған Talisman жобасымен осы идеяны қарастырған. Плиткаға негізделген 3D графика үшін IP әзірлеген Gigapixel компаниясын 3dfx сатып алды, кейін оны Nvidia сатып алды. Nvidia енді Maxwell және Pascal микроархитектураларында геометрияның шектеулі мөлшері үшін плиткалы рендерингті қолданатыны анықталды. ARM Falanx компаниясын сатып алғаннан кейін Mali деп аталатын тағы бір маңызды плиткалық архитектураны әзірлеуді бастады. Intel өзінің интеграцияланған графикалық өнімдерінде ұқсас тұжырымдаманы қолданады. Алайда, оның аймақтық рендеринг деп аталатын әдісі толық жасырын беттерді жоюды (HSR) және кейінге қалдырылған текстуралауды жүргізбейді, сондықтан соңғы суретте көрінбейтін пикселдерде толтыру жылдамдығы мен текстуралық өткізу қабілетін ысыраптайды. Жігіттік Z-буферлеудегі соңғы жетістіктер бұрын тек кейінге қалдырылған рендерингте қолданылатын идеяларды тиімді енгізді, соның ішінде сахнаны плиткаларға бөлу және плитка өлшемді көпбұрыштардың бөліктерін қабылдау немесе қабылдамау мүмкіндігі. Бүгінгі таңда PowerVR бағдарламалық және аппараттық жиынтығы бейне кодтау, декодтау және онымен байланысты кескін өңдеу үшін ASIC-терді қамтиды. Сонымен қатар, виртуализация, DirectX, OpenGL ES, OpenVG және OpenCL үдеуі де бар. Жаңа PowerVR Wizard GPU-ларында бекітілген функциялы Ray Tracing Unit (RTU) аппараттық құралдары бар және гибридті рендерингті қолдайды.

The PowerVR chipset uses a method of 3D rendering known as tile based deferred rendering (often abbreviated as TBDR) which is tile based rendering combined with PowerVR's proprietary method of Hidden Surface Removal (HSR) and Hierarchical Scheduling Technology (HST). As the polygon generating program feeds triangles to the PowerVR (driver), it stores them in memory in a triangle strip or an indexed format. Unlike other architectures, polygon rendering is (usually) not performed until all polygon information has been collated for the current frame. Furthermore, the expensive operations of texturing and shading of pixels (or fragments) is delayed, whenever possible, until the visible surface at a pixel is determined — hence rendering is deferred. In order to render, the display is split into rectangular sections in a grid pattern. Each section is known as a tile. Associated with each tile is a list of the triangles that visibly overlap that tile. Each tile is rendered in turn to produce the final image. Tiles are rendered using a process similar to ray casting. Rays are numerically simulated as if cast onto the triangles associated with the tile and a pixel is rendered from the triangle closest to the camera. The PowerVR hardware typically calculates the depths associated with each polygon for one tile row in 1 cycle. This method has the advantage that, unlike a more traditional early Z rejection based hierarchical systems, no calculations need to be made to determine what a polygon looks like in an area where it is obscured by other geometry. It also allows for correct rendering of partially transparent polygons, independent of the order in which they are processed by the polygon producing application. (This capability was only implemented in Series 2 including Dreamcast and one MBX variant. It is generally not included for lack of API support and cost reasons.) More importantly, as the rendering is limited to one tile at a time, the whole tile can be in fast on chip memory, which is flushed to video memory before processing the next tile. Under normal circumstances, each tile is visited just once per frame. PowerVR is a pioneer of tile based deferred rendering. Microsoft also conceptualized the idea with their abandoned Talisman project. Gigapixel, a company that developed IP for tile based 3D graphics, was purchased by 3dfx, which in turn was subsequently purchased by Nvidia. Nvidia has now been shown to use tile rendering in the Maxwell and Pascal microarchitectures for a limited amount of geometry. ARM began developing another major tile based architecture known as Mali after their acquisition of Falanx. Intel uses a similar concept in their integrated graphics products. However, its method, called zone rendering, does not perform full hidden surface removal (HSR) and deferred texturing, therefore wasting fillrate and texture bandwidth on pixels that are not visible in the final image. Recent advances in hierarchical Z buffering have effectively incorporated ideas previously only used in deferred rendering, including the idea of being able to split a scene into tiles and of potentially being able to accept or reject tile sized pieces of polygon. Today, the PowerVR software and hardware suite has ASICs for video encoding, decoding and associated image processing. It also has virtualisation, and DirectX, OpenGL ES, OpenVG, and OpenCL acceleration. Newest PowerVR Wizard GPUs have fixed function Ray Tracing Unit (RTU) hardware and support hybrid rendering.