移动GPU那些事

移动计算时代大潮袭来，手持设备的应用范围也被大大拓宽。从早期手机只能打电话、发短信、看图片，到今天手机能够看高清视频、玩3D游戏，拥有各种酷炫的操作界面，除了SOC芯片中CPU部分的进步外，其GPU部分也非常重要。和PC相同的是，移动SOC的CPU和GPU两个部分也可以互相搭配、替换，很多厂商往往会给相同的CPU核心搭配不同的GPU以区分SOC芯片的档次；和PC不同的是，目前移动计算的GPU厂商很多，除了人们熟知的高通、ARM外，还有NVIDIA、Imagination Technologies等厂商参与其中。那么各个厂商的移动GPU都有哪些特色和主流型号呢？今天本文就和大家一起来梳理这些问题。

Imagination PowerVR—授权巨头

发展历史：

Imagination Technologies（下简称IT）这个公司说起来很有特色：要说历史久远，当年IT的产品可是和Voodoo一争高下，后来在与ATI和NVIDIA的争斗中败下阵来才退出了桌面市场；要说产品丰富，2010年整个IT销售了2.15亿颗包含了IT技术授权的GPU产品，到2013年估计这个数据超过了4亿。

早期的IT图形产品还是非常有优势的。初IT为康柏电脑生产了PowerVR 1系列产品，后来这款独立显卡产品也有零售，商品名为VideoLogic Apocalypse 3D。由于反响不错，随后IT也为世嘉的土星游戏机定制过GPU芯片。接下来IT又推出了PowerVR 2，支持DirectX 6.0，性能表现尚可，不过由于不支持T&L，PowerVR后续产品没有在桌面市场继续发展下去。反倒是由于PowerVR独特的Tile Based Deferred Rendering基于延迟渲染的分块架构在性能功耗比的表现上优势明显，因此在PowerVR 3、PowerVR 4失败后，iPhone/iPhone 3G使用的PowerVRM B X在移动市场取得了巨大的成功（出货量超过2亿片），这也为今天Powe r V R在移动市场呼风唤雨的地位打下了基础。今天，PowerVR SGX 5和SGX 5XT成为市场的主流产品，为无数玩家带去了极为优秀的移动计算体验。

PowerVR本身不生产芯片，而是设计芯片并销售授权。购买PowerVR授权的厂商既有英特尔、苹果、三星等业界巨头，也有LG、瑞萨、高通、华为、索尼等业内大腕，还有一些不太出名的小厂商。其中需要注意的是苹果，PowerVR由于受到苹果的支持，很多软件特别是3D游戏都先基于IOS平台的PowerVR的产品研发，再移植到安卓平台其他产品上去，因此PowerVR目前在游戏兼容性上拥有“先天”优势。不仅如此，苹果和英特尔还积极入股了IT，成为PowerVR的大股东。

当前主流产品：

PowerVR目前在市场上的主流产品是PowerVR5系列。根据IT的分类，PowerVR5系列分为PowerVR5和PowerVR5XT两种核心，都是统一渲染架构产品。前者早发布于2005年7月，包含了SGX520、SGX530、SGX531、SGX535、SGX540和SGX545六款核心，这些产品初始制程全部采用了65nm工艺，在200MHz下的性能从0.8GFLOPS一路攀升到3.2GFLOPS（不过也有部分厂商采用新工艺后继续提高频率以获取更强性能）。目前PowerVR5系列在主流市场上已经不太容易看到。比较著名的是其中的PowerVRSGX 535和SGX 545。其中前者被苹果用于自家的A4处理器中，成就了iPhone 4一代经典的地位，也曾经是首代iPad所使用的处理器；后者曾经被英特尔选中用于搭配自己的移动Atom，用于手机和平板等产品，被命名为GMA 500系列。不过由于早期Atom受到的支持很少，再加上英特尔当时无法很好地控制产品的功耗，因此没有太大的成绩。

iPhone4以视网膜屏幕和强悍的性能著称于世，谁又知道其背后PowerVR SGX 535的默默奉献呢？

iPad 4中使用的PowerVR SGX 554MP4是目前已上市开卖的移动GPU中规模大、规格高、性能强的产品。

图为PowerVR的发展路线

表1：目前比较常见的PowerVR 5XT系列产品的规格

PowerVR真正的火爆在于苹果的A5处理器上市后。由于经典的iPad2大获成功，PowerVR也开始成为很多玩家眼中的“正统”产品。在PowerVR5之后，IT推出了PowerVRSGX5XT系列。这个系列的特点在于可以完全支持多核心扩展。IT推出基础的PowerVRSGX5XT 芯片，厂商可以根据自己的需要使用一个、两个、三个、四个直至多16个内核，获得不同等级和档次的性能搭配。虽然在官方的列表中，之前Power VRSGX 520到SGX545都出现在Power VR5XT系列的列表中，但实际上这一代PowerVR5XT在市场中大量出现的只有SGX543、SGX544和SGX554三款核心，远比上代的6款核心要少，不过由于不同的核心搭配策略，各个厂商都能获得自己需要的产品。在图形规格方面，PowerVR5XT继承了PowerVR5系列的优势，支持OpenGLES 2.0/1.1，也能支持DirectX9.0L3。从PowerVRSGX 544开始，PowerVR引入了一些OpenGL ES 3.0的技术，使得产品能够在新的竞争中继续获取优势。

从产品方面来看，如果说PowerVR处理器中目前哪一款有名，相信很多玩家都会想到iPad4使用的PowerVRSGX54MP4内核，它包含了四颗PowerVR SGX 554核心。也正是这颗GPU核心，让iPad 4能从容面对高达2048×1536超高分辨率的视网膜屏幕，也是iPad 4在性能上傲视群雄的关键因素。除此之外，目前市场上比较常见的处理器比如三星Exynos 5Octa（也就是GalaxyS4中使用的那颗“4+4”的处理器）也使用了PowerVRSGX544MP3以获得强大的图形性能—这也是三星继Exynos3之后，再度在高端CPU中启用PowerVR的产品。除此之外，还有一些厂商使用了比较老的PowerVR架构，比如MTK一些面向入门级用户的产品，使用了“新”的SGX531Ultra（实际上是PowerVR SGX531从65nm改用新工艺40nm后的高频率版本），在性能和功耗上做出了比较好的权衡。

总的来看，依靠授权IP，收取权利金的方式，PowerVR成为目前移动GPU市场上的绝对霸主。根据一些统计资料，2012年PowerVR占据了高达50.1%的ARM市场移动GPU的份额。“授权— 收取权利金— 投入新的资本研发新的核心—再授权”，PowerVR的这种研发方式尽可能避开了芯片生产中的工艺风险，让自己能够充分利用先进的技术来获取市场优势。2012年，PowerVR就公布了下一代PowerVRSGX6的资料，不过目前工艺尚不成熟，预计在20 nm或者16nm时代才能看到全新的PowerVR SGX6的强大性能了。

高通Adreno—霸业基石

发展历史：

如果说PowerVR算是“亲儿子”的话，那么Adreno就是不折不扣的“螟蛉子”了。Adreno原本并非高通旗下的部门，它的“亲生父母”实际上是ATI 。在2005年AMD收购了ATI后，负责设计移动图形核心的、当时被称为“Imageon”的部门被AMD剥离后以6500万美元卖给了高通（像不像卖了阿拉斯加给美国的俄罗斯？）。随后高通拥有了自己的移动图形部门，并改名为Adreno—只要将这个名字中的前三个字母调换一下顺序，你就会发现“Radeon”的单词出现，是不是很熟悉？没错，这也许是Adreno立志要做移动计算中的“Radeon”，从而在名称上刻印了标记，也正是在高通旗下，Adreno实现了这个愿望。

从历史来看，在被高通收购之前，Imageon也推出过很多款产品，其中有专门的2D加速、影音解码芯片，也有专门支持视频播放的芯片，当然主要的还是以图形性能为核心，综合多样功能的产品。Imageon从型号上来看至少有过20款独立的芯片推出，随后它就被高通收购，成立了全新的Adreno产品部门。

在被高通收购后，Adreno开始转型研发移动3D芯片。Adreno 130是其推出的首款产品，它的实际产品有HTC Dream（G1）和后来大卖的HTCHero（G3）。从HTC的G1和G3的销量来说，Adreno 130不可谓不成功。随后的Adreno 200芯片，又被HTC看中，用在Nexus One和HTC Desire（G7）中，又成为一款大卖的产品。之后的Adreno 205，成为索尼爱立信推出的专注于游戏的Xperia Play手机的的图形核心，这也是对Adreno性能的肯定。在初代几款产品成功后，Adreno开始随着高通的SOC芯片一路狂飙，终斩获了30%的SOC移动GPU市场份额。

当前主流产品：

目前Adreno主流型号从低到高分为Adreno 203、Adreno 205、Adreno 220、Adreno 225、Adreno230、Adreno 302、Adreno320和Adreno 330。其中Adreno 200系列是面向主流和入门级用户的，Adreno300系列搭配的多是中高端产品。在架构上，整个Adreno都采用统一渲染架构，不再区分顶点和像素处理器。

从高通官网的介绍来看，Adreno 200系列主要支持OpenGLES2.0/1.1，没有明确说明支持Direct 3D，不支持OpenGL ES 3.0。这系列产品都比较老，因此主要出现在搭配高通Scorpion架构CPU的SOC中。Scorpion架构是高通基于Cortex-A8架构修改的架构，性能不算强，高通将其归入Snapdragon S1、S2和S3系列处理器。和PowerVR不同的是，Adreno 200系列很少公布它的GFLOPS性能指标，转而公布填充率等信息。不过一些资料还是提及了Adreno 200系列的性能参数（非官方参数，仅供参考，不过应该不会有太大差距），比如Adreno 130在133MHz下拥有1.2GFLOPS的性能，Adreno200在266MHz下性能为8.5GFLOPS，Adreno 225在200MHz、300MHz和400MHz下的性能分别为12. 8GFLOPS、19.2GFLOPS和25.6G FLOPS 。参考之前的PowerVR的性能，Adreno 200系列高性能和PowerVRSGX 554基本处于同一性能档次。

小米2S估计是所有国内消费者熟悉的、使用Adreno 320的手机了。

接下来的Adreno 300系列则主要搭配新的Snapdragon200、400、600和800系列SOC，这系列SOC的CPU核心从低到高分别为Cortex-A5、Cortex-A7以及目前大红大紫的Krait300和Krait400，层次相当分明。规格上，Adreon 300系列都开始支持OpenGL ES 3.0，DirectX 9.3、Open CL等，也属于相当主流的规格支持。从低到高来看，Snapdragon 200还可以选用Adreon 203，不过只有入门级机型才使用类似的低配置，一般会考虑使用Adreon 302这样的产品，基准性能未知，但不会过10GFLOPS 。Snapdragon 400则会推荐使用Adreno305GPU，在400MHz下它的基准性能为19.2GFLOPS。再向上一些的Snapdragon600则开始推荐Adreno320产品，500MHz下基准性能达到了51.2GFLOPS。后则是强大的Snapdragon 800，高可搭配Adreno330，可惜的是目前尚未有它的性能参数，但至少这颗GPU能达到70～80GFLOPS是没有太大问题的。

目前高通的Adreno系列占据了超过1/3的移动GPU市场份额，除了借助了高通在基带和ARM CPU上的优势外，Adreno GPU本身性能和功耗表现都很不错，支持规格也很全面。由于有如此庞大的市场占有率，因此无论哪一家开发商都不会轻视高通的存在，各大游戏除了为PowerVR优化外，也必须为Adreno系列做出优化，所以高通的产品在游戏运行的图形效果稳定性上还是相当出色的，玩家几乎无需担心新游戏在Adreno上的运行问题，值得玩家信任。