应对下一代移动图形处理的挑战

，所以其中任何一个元件功耗的减少，都可以增加其他元件可以使用的配额，这也是系统功耗配比由用例决定的原因。

现代GPU非常复杂，严重依赖CPU运行驱动程序，以实现基于软件与应用程序进行交互。多亏了Vulkan这样的现代API，驱动程序的开销下降了，但是CPU依然需要运行驱动程序，所以不能完全避免耗电。由于所有元件功耗预算共享，因此在CPU中使用的、用于GPU交互的功耗就是不能应用于GPU本身的功耗。基于上述原因，降低CPU功耗势在必行，不仅是为GPU发展扫清瓶颈，更是要为尽可能的提高GPU可用功耗铺平道路。

与之类似，在运行复杂3D游戏的现代系统中，GPU会消耗大量DRAM带宽。由于要处理大量数据（上述提及的Lofoten每帧处理600，000个三角），消耗带宽责无旁贷，但DRAM的读写本身就是耗电的过程，也需要占用系统的总功耗预算。减少DRAM带宽可以降低其功耗，并用于其他元件。

现代智能手机的设计和日益复杂的用例对GPU提出了前所未有的挑战。下一章，我们将介绍ARM新一代GPU和GPU架构是如何应对这些挑战的。

为下一代设备打造的Mali-G71

Mali-G71是ARM最新推出的高性能GPU，也是首款基于全新Bifrost架构的GPU，性能和效率都获得显著提升。

Mali-G71是迄今为止ARM性能最高的GPU。为满足现代用例所需性能，着色器核心数量从1扩展至32，帮助芯片制造商根据目标市场自主权衡性能和功耗。出于这个原因，我们认为Mali-G71将在各类应用中将大展拳脚。

如前文所述，智能手机的很多性能都受到散热的限制，还有一些手机的限制因素则是成本，或者说是芯片尺寸。为了实现更高性，Mali-G71和Bifrost架构同时升级了能源效率（单位瓦特性能）和性能密度（单位芯片面积性能），帮助功耗与散热性能遭遇挑战的芯片制造商实现更高的GPU性能。相似条件下，Mali-G71的能源效率相较Mali-T880最多可提高20%，性能密度最多可提高40%。此外，外部存储消耗的总带宽降低20%，进一步减少整体系统功耗。

Bifrost架构发展

为了进一步说明Mali-G71为何具备远超历代ARM GPU的性能，我们首先来探讨一下GPU架构本身，以及实现这些性能的设计方法。

Bifrost是ARM的第三代可编程的GPU架构，其研发知识与经验传承自Utgard和Midgard GPU架构。

ARM的前两代GPU架构——Utgard和Midgard都取得了巨大成功。它们专为新兴的移动GPU市场打造，无论出货量还是内部科技的运用都可圈可点。Utgard是ARM首款可编程GPU，支持GLES 2.x，片段着色器与顶点着色器相互独立。Midgard则引入了统一着色器，支持GLES 3.x，并可与OpenCL 1.x Full Profile协同实现GPGPU运算。Midgard是一款前瞻性的GPU架构，甚至包括了一些可以支持Vulkan的功能特性。考虑到这是5年前设计的架构，就足以成为了不起的成就。

然而，随着内容和用例的改变，架构本身也必须进行根本性的升级，以适应各类下一代用例。

从顶层设计看，与Midgard架构相比，Bifrost的GPU内核没有明显变化。表面上依然包括多个可扩展的着色器核心、一个负责与驱动程序交互的任务管理器、一个负责处理内存页表的MMU以及一个TIler（Bifrost 仍然是一个 TIle based 渲染架构），但全部模块都获得了显著提升。

通过AMBA ACE或AXI-Lite与外界交互的L2子系统为支持AMBA 4 ACE专门设计，帮助Mali-G71彻底实现硬件一致性，并在GPU和CPU等其他单元之间实现了基于硬件的细粒数据透明共享。

我们对TIler做了重新设计，以支持一种全新的渲染流，即索引驱动的位置渲染。该技术的理念是将顶点着色分为两部分以节省带宽，因为无需读写屏幕上看不见的变化参数（varying）1；而且由于无需写回不可见位置，带宽可以得到进一步节省。

着色器核心本身的变化更为巨大。ARM在Bifrost中引入全新指令集，根据大量的内容和趋势分析以及长年的行业经验开发。现代GPU的总体趋势是执行越来越多的复杂可编程着色器，通常通过算法完成并采用大量标量代码。作为全新引擎的一部分，Bifrost采用全新的算法单元，以极高的效率执行高级着色器核心。它们更容易扩展，如果未来需求有增加，该架构也可以轻松应对。

Bifrost的属性（attribute）单元和变化参数单元相互独立，这些操作在图形处理中极为普遍，使用独立的高度优化硬件模块更为合理。全新的指令集引入高效的四线程组以节省控制逻辑，并通过四线程组管理器将线程组切换至执行引擎。我们还加入了一个控制架构以提高物理利用率。如上文所述，此特性对现代工艺节点非常重要。

Bifr