GPU市场增长与Mali™ 技术的成功2006年，图形处理器（GPU）总出货量约为1.35亿，广泛用于智能手机、DTV和平板电脑等多种设备。同年，ARM® 完成对挪威Falanx公司的收购，并获得其移动GPU技术，完成对原有IP技术的扩展。10年后的今天，仅智能手机的全球出货量就已达到15亿台（据ARM内部数据和Gartner数据显示）；短短10年时间，ARM Mali技术也已成为全球出货量第一的GPU，2015年总计出货量超过7.5亿。
本文将重点讨论GPU市场、技术、应用案例，以及GPU爆炸式发展背后的深层原因。同时，文章还将简述ARM Mali GPU及其架构在过去10年的演进，并介绍搭载全新Bifrost架构的Mali-G71。
API与制程节点开发 对图形领域而言，2015年振奋人心——全新应用程序接口（API）的出现允许开发商将基础图形硬件发挥至技术允许的最高水平。
同年，Khronos团队的工作引发有关Vulkan的热烈讨论。Vulkan是新一代OpenGL API，为新一代图形API设计量身打造。Vulkan足以满足全部需求，并彻底终结了OpenGL ES和OpenGL作为API各自为政的时代。
Vulkan于2016年2月正式发布，是首款按照开发商需求设计的Khronos API。它由游戏引擎开发商、芯片提供商、IP公司和操作系统供应商共同开发，以期打造兼顾各相关方需求的最佳解决方案。Vulkan API应运而生，采用全新异构系统，不仅内置多线程支持，而且可以最大程度发挥硬件一致性的优势。Vulkan属于底层API，允许开发商自主决定硬件交互方式，并通过底层接入以找到最佳平衡点。
上述特性对虚拟现实（VR）等新兴应用尤为重要，帮助开放商减少延迟，优化图形流水线。
对聚焦GPU运算应用的开发商来说，OpenCL 2的发布是一个重要节点，多项全新理念进一步简化了高性能GPGPU应用的开发流程。虚拟存储共享概念的提出可以说最为关键，允许CPU和GPU之间的虚拟地址共享。与硬件一致性结合后，细粒度缓冲器共享成为现实。该技术简化了实现CPU和GPU工作负载共享所需的开发工作，因为两者间的数据双向传输不再是必要条件。
半导体制造工艺也经历了巨大革新。2014年，台积电与三星推出20纳米工艺节点，标志着平面工艺节点的10年历史终于落幕。2015年，三星在Exynos 7420上使用全新14纳米FinFet技术，台积电紧随其后，推出16纳米FinFet工艺，并搭载于苹果A9芯片。2016年，工艺节点获得进一步完善，成本降低，产量增加。步入2017年， 10纳米工艺节点也不再是梦想。
从GPU的角度看，工艺节点技术的进步对整个行业意义非凡。首先，工艺节点越先进，单位区域（或功耗）的晶体管密度就越大。GPU属于并行处理器，只要架构扩展，性能就会随之提升。然而，先进工艺节点对布线的扩展效果不如晶体管。恰恰相反，Ergo 工艺制程从28纳米优化至14纳米，SoC设计师得以实现更高的晶体管密度，但却不如布线的扩展。这意味着，如果设计10纳米GPU时采用与28纳米同样的方法，设计结果必然会打折扣，因为晶体管和布线各有权衡，不尽相同。设计师常常需要妥协，使IP适应某个节点，这种权衡随着先进工艺节点数量的增加变得愈加重要。
深入探讨高端移动GPU的性能如何继续提高之前，我们需要特别指出GPU性能从2011年到2016年提升了20倍这个有趣的事实。由于手机同时变得更加轻薄，因此该数字并不能代表技术进步的全景，但现代移动设备开发商对性能提升的渴求已经可见一斑。
移动设备开发商不断完善现有用例，开发颠覆性的新用例，以保持创新节奏，并从新一轮的性能升级中获益。
案例开发随着移动平台的发展，各类传感器层出不穷。凭借飞速提升的系统性能、不断改善的屏幕精度和日益增加的电池寿命，移动设备开发商已经坐拥创新的最佳平台。
增强现实（AR）可以充分挖掘并展现智能手机的强劲性能。AR的原理并不复杂，利用高级摄像头捕捉图像，经过CPU、GPU、ISP、VPU和DPU，最后显示在高清屏幕上。这个过程中，增强内容将覆盖实际影像。根据应用目标的不同，物体识别、方位补偿（使用电子罗盘和／或加速度计）或高级渲染技术都将各有用武之地。
一些人气移动应用让AR不再远在天边，并一举进军大众市场，比如将滤镜叠加在用户脸部，然后生成图片和视频用于分享的Snapchat；以及让用户在真实地点看到动画人物的Pokemon Go。无独有偶，还有一些应用采取了更高级的AR技术，比如将摄像头捕捉与3D物体相结合。这些创新用例层出不穷，并可以用于包括零售和高端游戏在内的各行各业。举个例子，用户可以使用移动设备查看家具是否与硬装搭配，家具巨头宜家就打算在2017年发布AR产品目录。
虚拟现实已经不算新理念了，但其核心技术却仍在经历巨变。硬件设备已经万事俱备，拥有足够强大的性能运行炫目的VR内容；一个适合创新的大规模开发商生态系统也已经形成。这一点在移动平台的体现格外深刻，因为人人都能用，且其移动性自身便是重要优势。与台式机和游戏机不同，移动设备无拘无束。当然，实现这一点需要在设备上安装各类传感器。实际上，VR领域的许多重大突破都是在移动设备上实现的——利用VR技术增强用户体验的云霄飞车就是高性能移动应用的一个典型案例。
尽管推陈出新的颠覆式应用不断刷新智能手机的使用方式，但我们经常会忘记一点现实，最普遍的移动应用情景依然是网页浏览和游戏。近几年，屏幕分辨率和刷新率都得到提升，用户界面（UI）的视觉效果和使用体验也越来越自然。这些优化对GPU提出了更高要求，成为成本导向型市场不小的挑战。
移动设备已经成为最主要的游戏平台，由于移动游戏的便捷性，玩家人数持续增加，并进一步推动游戏数量的上升。从免费的独立游戏到数百万美元投资的工作室游戏，现代玩家有丰富的游戏类型、价格和质量等级可供选择。随着可选游戏数量的上升，视觉效果也得到显著改善。GPU刚刚引入移动设备时，3D游戏简单粗暴，不堪入目。而现在呢？游戏画面丰富多彩，景色怡人，动态感十足，在上一代的手柄游戏机时代都是前所未闻的。
上图是ARM演示团队制作的三张示意图。我们先来看看相对简单（以今天的标准）的3D内容，演示游戏为2010年推出的True Force，运行于2011年款的Galaxy S2。每帧图元16k，片段处理每像素时钟周期3.7次，基于OpenGL ES 2.0。
3年后的2013年，OpenGL ES 3.0正式推出，改善了GPU 对GPU运算的支持（并不是OpenGL ES 3.0 API的主打特色，而随OpenGL ES 3.1正式推出）；允许开发商使用更多高级渲染技术。结合基础硬件后，视觉质量显著提升。将Trollheim演示与TrueForce比较一下便可一目了然，前者的复杂性比后者高了不少。TrueForce的每帧图元为16k，而Trollheim为150k，TrueForce的片段处理每像素时钟周期为3.7次，而Trollheim则为16次。
2016年，Vulkan正式推出，API效率大幅提高，与OpenGL ES相比能够以更低的开销帮助开发商更好地发挥硬件性能。当然，硬件本身也快速发展，比较一下Lofoten和Trollheim演示，我们即可清楚地看到复杂度的提升：每帧图元提高了300%，片段复杂度提高了150%。 |
