PowerVR: Архитектура и технологии графических ускорителей

Введение

PowerVR — подразделение Imagination Technologies (ранее VideoLogic), которое разрабатывает аппаратное и программное обеспечение для 2D- и 3D-рендеринга, а также для кодирования и декодирования видео, сопутствующей обработки изображений и ускорения DirectX, OpenGL ES, OpenVG и OpenCL. PowerVR также разрабатывает AI-ускорители, называемые ускорителями нейронных сетей (NNA). Линейка продуктов PowerVR была первоначально представлена для конкуренции на рынке 3D-аппаратных ускорителей для настольных ПК, предлагая лучшее соотношение цены и производительности по сравнению с существующими продуктами, такими как решения от 3dfx Interactive. Быстрые изменения на этом рынке, особенно с появлением OpenGL и Direct3D, привели к быстрой консолидации. PowerVR представила новые версии с низким энергопотреблением, ориентированные на рынок ноутбуков. Со временем это развитие привело к созданию серии разработок, которые можно было интегрировать в системы на кристалле, подходящие для использования в портативных устройствах. Сама PowerVR не производит ускорители, а лицензирует свои IP-блоки – проекты интегральных схем и патенты – другим компаниям, таким как Texas Instruments, Intel, NEC, BlackBerry, Renesas, Samsung, Sony, STMicroelectronics, Freescale, Apple, NXP Semiconductors (ранее Philips Semiconductors) и многим другим.

Технология

Чипсет PowerVR использует метод 3D-рендеринга, известный как отложенный рендеринг на основе тайлов (часто сокращаемый как TBDR), который представляет собой рендеринг на основе тайлов в сочетании с запатентованным методом PowerVR по удалению скрытых поверхностей (HSR) и технологией иерархического планирования (HST). Когда программа генерации полигонов передает треугольники в PowerVR (драйвер), она сохраняет их в памяти в виде треугольных полос или в индексированном формате. В отличие от других архитектур, рендеринг полигонов (обычно) не выполняется до тех пор, пока вся информация о полигонах не будет собрана для текущего кадра. Кроме того, ресурсоемкие операции текстурирования и затенения пикселей (или фрагментов) откладываются, когда это возможно, до тех пор, пока не будет определена видимая поверхность пикселя – следовательно, рендеринг откладывается. Для рендеринга дисплей разделяется на прямоугольные секции в виде сетки. Каждая секция называется тайлом. С каждым тайлом связан список треугольников, которые визуально перекрывают этот тайл. Каждый тайл рендерится по очереди для создания финального изображения. Тайлы рендерятся с использованием процесса, аналогичного трассировке лучей. Лучи численно моделируются как будто они проецируются на треугольники, связанные с тайлом, и пиксель рендерится из треугольника, ближайшего к камере. Аппаратное обеспечение PowerVR обычно вычисляет глубину, связанную с каждым полигоном для одного ряда тайлов за 1 цикл. Этот метод имеет преимущество в том, что, в отличие от более традиционных иерархических систем с ранним отсечением по Z, не требуется выполнять вычисления для определения того, как выглядит полигон в области, где он заслонен другой геометрией. Он также позволяет корректно рендерить частично прозрачные полигоны, независимо от порядка их обработки приложением, генерирующим полигоны. (Эта возможность была реализована только в серии 2, включая Dreamcast и один вариант MBX. Обычно она не включена из-за отсутствия поддержки API и соображений стоимости.) Более того, поскольку рендеринг ограничен одним тайлом за раз, весь тайл может находиться в быстрой чиповой памяти, которая очищается в видеопамять перед обработкой следующего тайла. В нормальных условиях каждый тайл посещается только один раз за кадр. PowerVR является пионером отложенного рендеринга на основе тайлов. Microsoft также разработала эту идею в рамках своего заброшенного проекта Talisman. Компания Gigapixel, разрабатывавшая IP для 3D-графики на основе тайлов, была приобретена 3dfx, которая, в свою очередь, была приобретена Nvidia. Теперь известно, что Nvidia использует рендеринг тайлами в микроархитектурах Maxwell и Pascal для ограниченного количества геометрии. ARM начала разрабатывать другую крупную архитектуру на основе тайлов, известную как Mali, после приобретения Falanx. Intel использует аналогичную концепцию в своих интегрированных графических продуктах. Однако ее метод, называемый рендерингом зон, не выполняет полное удаление скрытых поверхностей (HSR) и отложенное текстурирование, следовательно, тратит пропускную способность заполнения и текстур на пиксели, которые не видны в финальном изображении. Недавние достижения в иерархическом буферировании Z эффективно включили идеи, ранее использовавшиеся только в отложенном рендеринге, включая возможность разделения сцены на тайлы и потенциальную возможность принятия или отклонения фрагментов полигонов размером с тайл. Сегодня программно-аппаратный комплекс PowerVR включает ASIC для кодирования и декодирования видео, а также для сопутствующей обработки изображений. Он также поддерживает виртуализацию и ускорение DirectX, OpenGL ES, OpenVG и OpenCL. Новейшие графические процессоры PowerVR Wizard оснащены аппаратным обеспечением Ray Tracing Unit (RTU) с фиксированной функциональностью и поддерживают гибридный рендеринг.

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.