Imagination的PowerVR GPU架構(gòu)始終是高效能的代名詞。我們的IP技術(shù)在移動(dòng)設(shè)備、消費(fèi)電子及其他嵌入式領(lǐng)域奠定了聲譽(yù)，這些領(lǐng)域的SoC設(shè)計(jì)方案往往需要優(yōu)先考慮電池續(xù)航與芯片面積。

然而在桌面市場(chǎng)，顯卡所需的GPU IP要求則大不相同：

高性能：主流顯卡需達(dá)到20 TFLOPS算力與300GPixel/s渲染能力方能立足；高端游戲顯卡的性能標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)苛

先進(jìn)特性：超分辨率等AI增強(qiáng)功能漸成標(biāo)配，GPU更成為生成式AI革命的關(guān)鍵推動(dòng)力

軟件兼容：必須通過(guò)硬件級(jí)DirectX支持流暢運(yùn)行Windows平臺(tái)游戲

能效控制：即便在桌面領(lǐng)域，能效同樣至關(guān)重要，用戶(hù)期待低散熱、靜音運(yùn)行的設(shè)備。

近年來(lái)，Imagination通過(guò)增加主GPU核心內(nèi)處理單元數(shù)量，結(jié)合領(lǐng)先的多核擴(kuò)展技術(shù)，已助力桌面領(lǐng)域客戶(hù)實(shí)現(xiàn)主流級(jí)性能目標(biāo)。

我們常被問(wèn)及：在長(zhǎng)期被即時(shí)渲染架構(gòu)（IMR）主導(dǎo)的桌面領(lǐng)域，分塊延遲渲染架構(gòu)（TBDR）是否真的能勝任？

答案是肯定的。事實(shí)上這兩種架構(gòu)風(fēng)格的差異并不如想象中巨大。接下來(lái)我們將深入解析其實(shí)現(xiàn)原理。

回歸基礎(chǔ)：傳統(tǒng)3D渲染的簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)流

在3D圖形處理中，每個(gè)提交給渲染器的對(duì)象都會(huì)在下一個(gè)對(duì)象被處理之前立即完成變換、光柵化和著色。這正是“即時(shí)模式渲染（immediate mode rendering）”這一名稱(chēng)的由來(lái)。

當(dāng)然，在3D場(chǎng)景中，遠(yuǎn)離攝像機(jī)的物體可能（完全或部分）被前景物體遮擋。如果在"紋理與著色"步驟之后才執(zhí)行深度測(cè)試，那些已經(jīng)處理過(guò)的像素片段很可能被更靠近攝像機(jī)的三角形/像素片段所"覆蓋重繪"。這會(huì)導(dǎo)致著色器執(zhí)行不必要的計(jì)算工作，同時(shí)引發(fā)大量冗余（且高功耗）的數(shù)據(jù)傳輸。所有顏色和深度數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)存中，處理顏色混合和深度緩沖區(qū)更新時(shí)頻繁的讀取/修改/寫(xiě)入操作，將產(chǎn)生巨大的內(nèi)存帶寬開(kāi)銷(xiāo)，或者需要配備超大容量的L2/L3緩存。

在芯片面積和功耗限制較少的設(shè)備上，這種程度的資源浪費(fèi)尚可接受，但對(duì)智能手機(jī)等資源受限的環(huán)境卻并不適用。這正是Imagination分塊延遲渲染技術(shù)展現(xiàn)價(jià)值的領(lǐng)域。

第一節(jié)：桌面系統(tǒng)中的分塊渲染

認(rèn)識(shí)Imagination的分塊渲染技術(shù)

基于分塊延遲渲染（TBDR）架構(gòu)中的分塊處理發(fā)生在渲染管線早期，具體位于幾何處理階段。該階段通過(guò)處理頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，將整個(gè)場(chǎng)景劃分為若干稱(chēng)為"圖塊"的獨(dú)立區(qū)域。這種分塊機(jī)制使得芯片內(nèi)緩存可以替代高成本的系統(tǒng)內(nèi)存往返數(shù)據(jù)傳輸。分塊技術(shù)還能優(yōu)化工作負(fù)載分配——由于每個(gè)圖塊相互獨(dú)立，可在不同核心或著色單元間并行處理。與傳統(tǒng)即時(shí)渲染（IMR）架構(gòu)按三角形處理的方式不同，這種方式可實(shí)現(xiàn)性能的線性擴(kuò)展。另一關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于：每個(gè)圖塊的數(shù)據(jù)量極小，使得整個(gè)處理流程可完全在芯片內(nèi)完成，每個(gè)圖塊僅需執(zhí)行單次寫(xiě)回操作。

Imagination GPU專(zhuān)屬分塊優(yōu)化技術(shù)

Imagination擁有三項(xiàng)降低內(nèi)存帶寬、實(shí)現(xiàn)極致功耗控制的核心分塊技術(shù)：

1.精準(zhǔn)分塊（Perfect Tiling）

Imagination GPU將三角形精確歸類(lèi)至對(duì)應(yīng)圖塊，確保計(jì)算資源僅用于必要區(qū)域。多數(shù)廠商采用邊界框（bounding boxes）方案，因數(shù)據(jù)過(guò)量提取可能導(dǎo)致工作量翻倍——而采用分層圖塊劃分的GPU情況甚至更糟。

2.精準(zhǔn)剔除（Perfect Culling）

我們擁有多項(xiàng)早期剔除技術(shù)專(zhuān)利，涵蓋微對(duì)象剔除、深度剔除等創(chuàng)新領(lǐng)域，以及傳統(tǒng)離屏剔除和背向三角形剔除等成熟方案。

3.幾何壓縮（Geometry Compression）

我們的GPU是唯一采用硬件級(jí)幾何壓縮技術(shù)的產(chǎn)品。該技術(shù)能在頂點(diǎn)數(shù)據(jù)（包括位置坐標(biāo)、法線向量、紋理坐標(biāo)等）存儲(chǔ)或傳輸前進(jìn)行壓縮，通過(guò)減小頂點(diǎn)緩沖區(qū)尺寸來(lái)降低內(nèi)存帶寬需求。GPU在頂點(diǎn)處理過(guò)程中實(shí)時(shí)執(zhí)行數(shù)據(jù)壓縮，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部緩存的高效利用，減少外部?jī)?nèi)存訪問(wèn)頻次。

這些技術(shù)共同保障了即使在桌面級(jí)設(shè)備上，GPU也能在提供游戲及生產(chǎn)力應(yīng)用所需性能的同時(shí)，保持卓越能效與低噪音運(yùn)行。

那么分塊渲染雖高效，其與桌面軟件的兼容性如何？主流桌面API（OpenGL與DirectX）及游戲引擎均已支持分塊渲染?；诜謮K延遲渲染的管線前端（在分塊處理階段之前）與經(jīng)典即時(shí)渲染架構(gòu)并無(wú)差異。值得注意的是，現(xiàn)代即時(shí)渲染架構(gòu)也已發(fā)展出自身的分塊方案：例如英偉達(dá)GPU配備分塊緩存（tiled caching）技術(shù)，AMD GPU則提供"繪制流分檔光柵化器"（Draw Stream Binning Rasterizer）。

Imagination GPU與AMD/英偉達(dá)方案的核心區(qū)別在于：即時(shí)渲染架構(gòu)通過(guò)片上緩存（而非系統(tǒng)內(nèi)存）實(shí)現(xiàn)其"分塊"處理。但這并非桌面客戶(hù)的障礙——我們的GPU可配置為將分塊數(shù)據(jù)與幾何數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于片上內(nèi)存（SRAM），從而降低延遲并減少外部DDR帶寬占用。未默認(rèn)采用此設(shè)計(jì)是因它會(huì)增加芯片面積，這對(duì)嵌入式細(xì)分市場(chǎng)的成本敏感型合作伙伴難以接受。

本質(zhì)上，分塊渲染器與即時(shí)渲染器已呈現(xiàn)技術(shù)融合：即時(shí)渲染器通過(guò)引入分塊機(jī)制提升能效與處理效率。因此，關(guān)于分塊渲染器軟件兼容性的挑戰(zhàn)已不復(fù)存在，相關(guān)歷史論斷實(shí)屬過(guò)時(shí)且具有誤導(dǎo)性。

Imagination 桌面級(jí) GPU優(yōu)化方案

面向嵌入式市場(chǎng)的經(jīng)典Imagination GPU專(zhuān)注于面積效率，因?yàn)樵谇度胧绞袌?chǎng)，GPU的芯片面積預(yù)算通常有限，也無(wú)法負(fù)擔(dān)支持幾何圖塊劃分所需的更大片上緩存。這與桌面市場(chǎng)不同，桌面市場(chǎng)普遍擁有巨大的緩存，例如AMD的Infinity Cache最高可達(dá)128MB。

在桌面市場(chǎng)使用Imagination GPU IP的客戶(hù)可以進(jìn)行以下調(diào)整，以適應(yīng)桌面環(huán)境：

允許將參數(shù)/圖塊緩沖區(qū)映射到任意內(nèi)存區(qū)域（而不僅限于系統(tǒng)內(nèi)存）。

將緩沖區(qū)限制為特定的、較小的尺寸。

啟用"智能參數(shù)管理"（SPM）功能，允許硬件刷新部分圖塊渲染數(shù)據(jù)以釋放片上參數(shù)存儲(chǔ)空間，代價(jià)是會(huì)降低隱藏面消除效率（例如已刷新的工作負(fù)載后續(xù)可能被其他物體遮擋）。

如有需要，可將數(shù)據(jù)溢出到系統(tǒng)內(nèi)存。

第2節(jié)：桌面端的延遲渲染

了解Imagination的延遲渲染

如前所述，即時(shí)渲染模式在處理場(chǎng)景對(duì)象時(shí)，會(huì)立即進(jìn)行變換、光柵化和著色，而不會(huì)預(yù)先判斷哪些對(duì)象在屏幕上是可見(jiàn)的。

除了分塊技術(shù)，Imagination GPU還采用延遲渲染方案。該技術(shù)在片段處理階段初期引入深度測(cè)試，主動(dòng)檢測(cè)并剔除被遮擋的三角形。完成此步驟后，渲染管線才會(huì)執(zhí)行紋理貼圖與著色計(jì)算。這種"按需渲染"的技術(shù)路徑有效降低了計(jì)算負(fù)載、內(nèi)存帶寬及功耗消耗。

其運(yùn)作流程如下：

提取每個(gè)圖塊，僅根據(jù)位置數(shù)據(jù)對(duì)變換后的幾何體進(jìn)行光柵化

隱藏面消除（HSR）階段通過(guò)片上緩沖區(qū)判定可見(jiàn)片段

片段處理階段負(fù)責(zé)獲取屬性與紋理數(shù)據(jù)

像素處理階段運(yùn)行像素著色器代碼，實(shí)施逐像素光照等著色技術(shù)，所有混合操作均在片上圖塊內(nèi)存完成，避免片外讀寫(xiě)

通過(guò)將片上緩沖區(qū)數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存，逐塊完成最終3D幀渲染

延遲渲染與桌面軟件的兼容性如何？

延遲渲染對(duì)軟件完全透明，且完全符合現(xiàn)代API規(guī)范。采用延遲渲染方案不會(huì)造成任何功能限制，其影響僅體現(xiàn)在GPU內(nèi)部操作層面。

究其本質(zhì)，延遲渲染實(shí)質(zhì)上是亂序深度計(jì)算的一種實(shí)現(xiàn)形式。英偉達(dá)與AMD采用的Early-Z技術(shù)正是同類(lèi)方案，其他廠商類(lèi)似的解決方案還包括前向像素消除（Forward Pixel Kill）、片段預(yù)渲染（Fragment Pre-Pass）等。因此亂序深度測(cè)試具有廣泛兼容性，完全不會(huì)與桌面API產(chǎn)生沖突。

結(jié)語(yǔ)：效率與性能的完美結(jié)合

正如本文所見(jiàn)，即時(shí)渲染模式與基于分塊的延遲渲染GPU的主要區(qū)別在于可見(jiàn)性測(cè)試的時(shí)機(jī)、顏色/深度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置以及對(duì)L2緩存的要求。在設(shè)計(jì)初衷上，基于分塊的延遲渲染GPU更側(cè)重于提升系統(tǒng)效率，減少芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)移動(dòng)。

但兩種渲染架構(gòu)的差異并不如許多人設(shè)想的那般懸殊?，F(xiàn)代即時(shí)渲染器已吸納分塊渲染與早期深度測(cè)試等技術(shù)來(lái)優(yōu)化工作負(fù)載分配與處理效率。與此同時(shí)，Imagination的GPU IP具備充分靈活性，桌面市場(chǎng)客戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。

這些架構(gòu)層面的相通之處，使得高性能分塊延遲渲染GPU成為現(xiàn)代桌面系統(tǒng)的理想選擇。無(wú)論是游戲娛樂(lè)、內(nèi)容創(chuàng)作還是AI增強(qiáng)應(yīng)用，Imagination GPU都為傳統(tǒng)即時(shí)渲染架構(gòu)提供了面向未來(lái)的替代方案。

了解更多關(guān)于適用于桌面領(lǐng)域的Imagination GPU系列產(chǎn)品信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)Imagination官方網(wǎng)站。

英文鏈接：https://blog.imaginationtech.com/does-tile-based-deferred-rendering-have-a-place-in-desktop

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