智能手机设计的挑战与趋势使用场景的变化仅是一个方面，移动设备本身也经历大幅升级。智能手机市场最初主打旗舰机型，随着智能化程度的不断提高，很多 PC特性已经可以实现，但通讯依旧是其主要功能。然而，过去短短几年间，智能手机用途不断扩展，打电话已不再是智能手机的主要功能，图像显示成为了关注焦点。
过去，手机电池寿命一般用单次充电支持的通话时长来衡量，而现在的标准则是网络浏览或高端游戏的续航时间。GPU与显示性能一起备受关注。用户希望体验更高质量的视觉效果，到目前为止，这一目标都是经由智能手机设计改善，以及显示内容的美感和流畅性来实现，一个证据就是屏幕边框变得越来越窄。市场的大致趋势是朝着屏幕包裹设备的方向发展，设计美感更多由UI而非硬件来实现。下图中，我们可以看出屏幕占整个设备的比例不断增加。这一趋势在三星Galaxy S7 Edge等机型上体现得尤为明显，已经实现屏幕对设备的全包裹。
除了打电话，现代智能手机还能提供极为丰富的功能，如邮件、社交媒体、导航定位、支付、浏览网页、游戏、拍照和视频等等。用户在期待功能升级的同时，也希望电池寿命不断延长。但是，即便使用当前所有最先进的技术，智能手机的电池容量还是要不断增大，具体变化趋势见下图。
除了电池容量变大，智能手机还变得越来越薄。一些机型的厚度甚至已经达到了7毫米以下，考虑到现代智能手机的技术含量，如此纤薄实在令人惊讶。
这样的发展方向并非完全没有弊端。屏幕增大导致电池尺寸变大，机身变薄，设备散热能力下降，因为屏幕的散热效率不如金属机身。此外，机身变薄后，用以散热的表面积也会减少。现代高端智能手机的性能上限很大程度上被散热能力牵制，如何保证机身内部元器件不因为高温而受损则因此成为另一大挑战。
现代智能手机装有多种耗电发热的核心元件，如摄像头子系统、屏幕、调制解调器、Wi-Fi、非易失性存储器、DRAM和主芯片本身（包括CPU、GPU和其他处理器）。因为总功耗一致，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-G71Mali-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，无论体积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。
Bifrost引入了名为子句着色器的概念，专门用于处理执行引擎内部的布线密度问题。你可以将子句想象成一组连续自动执行的指令，也就是说，一个子句的执行不能被中断，无论是分支（如分支只发生在子句边界上）还是其他任何事件都无法中断。这意味着子句是可以预测的，数据路径周围的控制逻辑变得更容易。比如说，你无需在子句内部更新程序计数器，因为GPU知道它会在执行前（或执行后）根据子句内部的指令数量向前推进。
对CPU而言，这一行为并不可取，因为CPU必须迅速处理分支，而且分支的出现并不偶然。但恰恰相反，对GPU而言，该技术又可以进一步优化设计。请想象一组指令集正在经过。连续的指令经常使用上一条指令作为输入（见下方一排中的多个ADD正在积累数据）。如果你经常观察到这一现象，而且你知道访问暂存器组的代价非常高昂（因为这是一个巨大的存储模块），有一种方法来缓解这个问题，那就是巧妙地使用临时寄存器来减少寄存器组的访问量。由于寄存器是临时的，数据只会在一个时钟周期中保留，所以要想实现，子句必须确保在子句内部原子执行。
请参考下图的简单着色器程序，从指令集的角度了解子句着色器的工作原理。需要指出的是，这是开发者所看不到的，由编译器完成的。
总结 通过对Bifrost架构如何提高效率和性能的详细解读，我们可以清楚地了解Mali-G71具备哪些根本性的创新技术，以实现万众期待的GPU性能升级。通过支持全新的现代API（如Vulkan和OpenCL 2.0），Mali-G71有助于实现出色的新兴应用场景体验。ARM将继续研发Bifrost架构，满足下一代内容的需求并超越行业期待。2016年，更多新技术将现身ARM Mali 多媒体组件。 |
