剖析Imagination的A-Series GPU新架构：和高通Adreno和Arm Mali比比

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不同类型的操作，整个流程及涉及的模块会有差别，比如像素处理对应3D Data Master，后续要做隐面消除、计算像素渲染等；还有比如一些内部操作（housekeeping operations）、2D操作等等。上图是像素处理流程（Pixel Processing Flow），以紫色示意。5H0esmc

全栈并发的HyperLane技术

以上提到的这些各类别操作，可以通过一种名为“HyperLane”的技术做硬件级并行，这也是Imagination这次随同A-Series GPU IP发布的一种技术。这种技术对内存做完全隔离，多任务同时提交给GPU，实现GPU的多任务执行，或者说GPU硬件的“全栈并发”。典型的比如说图形计算和AI计算同时进行。5H0esmc

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实际针对前文提到的各种不同类型的操作，HyperLane可将GPU的所有任务负载切分成（subdivide）几份，这其中不仅包括了物理层面的隔离切分（模块层面的并发），还包括按照时间切分做负载资源切换。不同的Data Master可以同时保持活跃状态，在整个GPU硬件资源之间进行动态的工作执行，每个时钟周期不同的模块可以执行不同的任务，ALU可以做Compute操作、像素操作、几何图形操作、2D操作等。5H0esmc

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多种颜色表示HyperLane激活的多种操作正在同时进行5H0esmc

另外，HyperLane还有优先级机制，Evans说：“比如有客户希望，在同时执行任务的时候，确保图形计算性能不会受到AI工作负载的影响，那么就可以调高图形计算优先级，即便芯片正在处理复杂的AI任务，图形性能也能被保护起来。”这部分操作需要借用到这次IP架构中的固件处理器（即前文提到的firmware processor）。5H0esmc

HyperLane技术包含了动态的8路切分（eight way split/multi-tasking），也就是至多8条hyperlane。“所有工作同时进行，在硬件层面完整隔离和实现虚拟化，硬件级别的高级调度机制实现灵活性。”5H0esmc

HyperLane的一个副产品是内容保护，每条hyperlane都是隔离的，彼此之间的内容就能实现隔离。Evans说：“比如有个流视频应用，带DRM，那么内容在整个GPU中都是完全隔离起来的，在多任务环境中受到保护。”这也算是种安全防护方案了。5H0esmc

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Imagination PowerVR产品管理和技术营销高级总监Kristof Beets5H0esmc

更多架构变化

我们认为，这次GPU IP改进中的一个亮点应该就是前文多次提到的固件处理器（firmware processor）了（似乎还是RISC-V架构）。即GPU内部有个小型的微控制器，它位于全局最高层级，完全可编程，以实现GPU整体任务执行的灵活性。“相关数据流、执行、优先级等各种GPU内部的活动，任何事件、任何决策，都通过固件处理器来控制和决定。这样一来就大大减轻了CPU的工作，而且还更有弹性。”5H0esmc

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一般来说，GPU的这部分工作是由CPU驱动执行的，而Imagination则把这个活儿揽到了自己手里。这项改进似乎在Imagination的宣传中成效还挺大。典型的就是它能够应用于GPU更好的DVFS调节（动态电压平率调整）——这项工作原本是由内核GPU驱动负责的（所以以后驱动更新都是写入到这枚处理器固件中？）。Beets提到：“固件处理器能够全面感知GPU核心中发生的一切，这对于调度机制很有帮助，它甚至可以用来帮助开发者理解，如何获得GPU的更多性能。”5H0esmc

“如果我们能够了解GPU的工作调度、优先级，查看所有的参数，那么就能够知道何时需要更高的频率，或者可以在某个时间点降低频率。为此，我们的固件中有大量直接的GPIO信号回写，针对功耗控制做同步。GPU直接写回给系统到底发生了什么，这比CPU快多了。这样一来就能实现更出色的DVFS算法，可了解工作负载甚至预测所需的频率。”