GPU结构设计

1. 框架设计

GPU 即 graphics process unit，图形处理单元，其主要功能在于图形渲染和合成，擅长于浮点运算和三角形生成填充处理；

本部分主要回答：GPU如何实现让自己擅长于图形渲染和合成操作？

1.1 GPU 发展演变

技术的发展大多都有其需求依赖，GPU也是一样：

1962年麻省理工学院的博士伊凡•苏泽兰发表的论文以及他的画板程序奠定了计算机图形学的基础。在随后的近20年里，计算机图形学在不断发展，但是当时的计算机却没有配备专门的图形处理芯片，图形处理任务都是CPU来完成的。

这是需求产生的初始；

1999年8月，NVIDIA公司发布了一款代号为NV10的图形芯片Geforce 256。Geforce 256是图形芯片领域开天辟地的产品，因为它是第一款提出GPU概念的产品。Geforce 256所采用的核心技术有“T&L”硬件、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等。“T&L”硬件的出现，让显示芯片具备了以前只有高端工作站才有的顶点变换能力，同时期的OpenGL和DirectX 7都提供了硬件顶点变换的编程接口。GPU的概念因此而出现

2000年之前出现了早期的GPU产品，即独立用于图形绘制的硬件模块；

即伴随着图形学的发展，对于计算机算力的要求越来越高，而CPU的性能的发展已经到达一个平缓期，无法满足其需求，所以需要单独拉出来一个模块用于满足其算力需求；

提高运算速度的方式主要有如下几个方面：

  1. 单条指令执行速度：提高主频
  1. 到达当前4GHZ 之后再向上增加，伴随着功耗的几何倍增；
  1. 增加运算单元数量（晶体管）
  1. 制程发展，目前已经达到nm级别，达到当前技术的极限；
  2. 改变当前CPU中的晶体管功能，让其善于绘图，即GPU；
  3. 在宏观层面增加，即近些年来的多核发展，以及异构框架设计；

所以伴随着2-2这样一个朴素的思维逻辑（专精），GPU硬件模块被设计出来了；

GPU内部硬件架构图 gpu硬件设计_数据

上述我们描述了GPU是被设计用于专门绘制图形的硬件模块，那么图形绘制相较于曾经的运算而言，有哪些专门的内容？

图形绘制：经过一定运算，将图片转换为数据显示在屏幕上，即计算每个像素需要显示的颜色数值（YUV）

则至少有如下三方面的要求：

  1. 高性能的运算，将图片效果（3D效果）转换为像素点的过程；
  2. 大量的并行计算，对于一定范围的像素，进行相同的运算处理；
  3. 超高访问内存带宽，即刷图的特性要求其吞吐量要高；

基于上述的目标，我们首先来看CPU的设计结构；

1.2 从CPU开始聊起

CPU (Central process unit) 中央处理器，作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理，程序运行的最终执行单元；

从词条介绍就可以看得出来，CPU是运算和控制核心，是程序运行的最终执行单元，CPU面向通用的场景，更关注复杂场景的时延和指令的执行效率，即面对不同的程序，以尽快的速度运行：

  1. 多级流水线
    指令从取值到真正执行的过程划分成多个小步骤，cpu真正开始执行指令序列时，一步压一步的执行，减少其等待时间（比如正常需要4~5cycle，采用流水线则相当于平均1 cycle）

上述图示为arm7 三级流水线标准结构，arm9和mips均采用5级流水线：

IF – ID – EX – MEM – WB

  1. 指令级别并行：
  • 超线程，Intel提出的技术，即一个CPU核划分为两个线程，即将其他资源利用起来，避免等待；
  • 超标量，多条流水线并行，空间换时间；
  • 超长指令字，编译优化，一次提取多条不互相依赖的指令进行处理（编译阶段）
  1. 分支预测：
    上述流水线的结构，针对于分支结构会出现效率降低，即在执行下一条指令时，当前判断语句还未执行完成，如果判断出错，则相当于将分支语句中内容执行一遍，此种情况下等待判断完成会导致整个硬件模块先暂停再重新启动，效率极低：
  • 直接执行，成功率在50%，如果出错则绕回重新执行；
  • 分支预测，在进行之前即预测其if or else，现代计算机基本在95%以上，依赖于一定的硬件单元模块；
  1. 乱序执行：
    很显然的一个特性，指令在执行时常常因为一些限制而等待，比如，mem分阶段访问数据不再cache中，则需要从外部存储器获取，至少需要几十个cycle的时间，所以这种情况下可以采用乱序执行的方式，先执行不依赖于外部数据的指令；

GPU内部硬件架构图 gpu硬件设计_GPU_02

这里是一个比较简单的CPU的结构，其中大面积的单元结构是Cache & Prefetch Unit（复杂控制逻辑电路，包括并不限于PFU）而对于GPU来说，执行数据比较单纯，多半是对于像素进行的运算处理，而且是大面积的并行计算，所以砍去其复杂的逻辑电路，转换为计算单元：

GPU内部硬件架构图 gpu硬件设计_Pascal_03

从设计思路来说，已经决定了GPU不善于做分支运算，效率极低；

2. 结构设计

了解了上述的设计需求以及设计思想，则具体来看当前GPU的设计：

2.1 MALI系列GPU结构框架描述

这里主要聊ARM MALI系列，首先来看Mali家族的GPU框架（以下资料均来自ARM官网）：

GPU内部硬件架构图 gpu硬件设计_GPU内部硬件架构图_04

上述主要包括Mali家族的四个框架结构：

Utgard：早期结构，vertex 和 fragment 为独立的硬件单元结构；

Midgard：这里学习的主体，通用可编程shader core；

Bifrost、Valhall 这里没有详细了解，可以支持gles 3.2 & vulkan；

2.1.1 Midgard 结构

Top-Level如下图所示：

GPU内部硬件架构图 gpu硬件设计_GPU内部硬件架构图_05

  • 操作指令进来两个Queue，用于分别管理Geometry 和 Fragment；
  • 数据进来到L2 Cache中，这里应该有MMU的控制单元；
  • Shader core是可变的，根据各个厂商定制，一般来说2~8个，也是实际运算单元存在的位置；
  • Tiler是Mali的一个特殊技术，将Texture划分为小块进行缓存计算，主要是为了减小带宽压力；

详细来看Shader Core：

GPU内部硬件架构图 gpu硬件设计_数据_06

  • 三级执行单元，在一个cycle内，可以并行 Arithmetric / LSU / Texture
  • ZS Tester 用于做深度计算，剔除不需要显示的部分；
  • Arithmetric 单元模块用来做几何运算部分，即顶点计算、几何连线运算等；
  • L1 Cache 16Kb，可根据厂商要求定制；

对于Arithmetric 单元，该部分与NVIDIA设计不同，仍采用SIMD结构（VLIW）：

The Arithmetic pipeline (A-pipe), is a Single Instruction Multiple Data (SIMD) vector processing engine, with arithmetic units that operate on 128-bit quad-word registers. The registers can be accessed as several different data types, for example, as 4xFP32/I32, 8xFP16/I16, or 16xI8. Therefore, a single arithmetic vector operation can process eight mediump values in a single cycle.

Mali结构简单来说就是这个样子了；

2.2 NVIDIA 简易介绍

2.2.1 结构

顶层结构：

GPU内部硬件架构图 gpu硬件设计_图形绘制_07

放大：

GPU内部硬件架构图 gpu硬件设计_数据_08

NVIDIA GPU架构发展时间记录：

  • 2008 - Tesla
    Tesla最初是给计算处理单元使用的，应用于早期的CUDA系列显卡芯片中，并不是真正意义上的普通图形处理芯片。
  • 2010 - Fermi
    Fermi是第一个完整的GPU计算架构。首款可支持与共享存储结合纯cache层次的GPU架构，支持ECC的GPU架构。
  • 2012 - Kepler
    Kepler相较于Fermi更快，效率更高，性能更好。
  • 2014 - Maxwell
    其全新的立体像素全局光照 (VXGI) 技术首次让游戏 GPU 能够提供实时的动态全局光照效果。基于 Maxwell 架构的 GTX 980 和 970 GPU 采用了包括多帧采样抗锯齿 (MFAA)、动态超级分辨率 (DSR)、VR Direct 以及超节能设计在内的一系列新技术。
  • 2016 - Pascal
    Pascal 架构将处理器和数据集成在同一个程序包内，以实现更高的计算效率。1080系列、1060系列基于Pascal架构
  • 2017 - Volta
    Volta 配备640 个Tensor 核心，每秒可提供超过100 兆次浮点运算(TFLOPS) 的深度学习效能，比前一代的Pascal 架构快5 倍以上。
  • 2018 - Turing
    Turing 架构配备了名为 RT Core 的专用光线追踪处理器，能够以高达每秒 10 Giga Rays 的速度对光线和声音在 3D 环境中的传播进行加速计算。Turing 架构将实时光线追踪运算加速至上一代 NVIDIA Pascal™ 架构的 25 倍，并能以高出 CPU 30 多倍的速度进行电影效果的最终帧渲染。2060系列、2080系列显卡也是跳过了Volta直接选择了Turing架构。
2.2.2 SIMT

SIMT：单指令多线程，相较于SIMD不需要开发者考虑矢量长度组合，相当于使用一定数量的core用于并行执行，有自己的register；

Wrap 线程束，一般包含32个线程，执行相同指令（不同数据）

  1. wrap有自己的register：
  1. 遇到LSU等待可以直接切换其他wrap
  2. Wrap数量越多则平均等待时间越短，并行执行后忽略等待；
  3. 由于硬件决定Register总数一定，shader程序中使用register多则分配warp的数量就会少，则等待时长会多，导致效率降低，所以shader编程需要做好协调；
  1. pixel处理的天然并行
  1. 分支执行错误则32线程均需要重新来过，所以这里也要求我们尽量少加分支结构；

硬件结构图示如下所示：

GPU内部硬件架构图 gpu硬件设计_GPU_09

3. GPU Pipeline

大家来聊GPU编程时，一般都会提到GPU Pipeline：传统的一条渲染管线是由包括Pixel Shader Unit（像素着色单元）+ ROP（光栅化引擎）+ TMU(纹理贴图单元) 三部分组成的，如下来具体介绍：

GPU内部硬件架构图 gpu硬件设计_Pascal_10

整体划分为三个大的阶段：

  • CPU阶段：
  • CPU build后通过图形API 发出drawcall指令，指令会被驱动添加到GPU可以访问的buffer中，即opengl编程常说的context；
  • 经过一段时间或者显式调用flush操作后，会将上述指令发送给到GPU，GPU会在相关queue中处理上述指令；
  • GPU 阶段：

细化处理：

GPU内部硬件架构图 gpu硬件设计_图形绘制_11

  • vertex shader （可编程）：顶点操作，取绘制坐标做视角判断后需要绘制的顶点（3D-2D）
  • 图元处理：可以简单理解为连线；
  • Geometry shader（可编程，非必要）：将上述画出来的三角形进行划分；
  • 光栅化：按照屏幕分辨率划分为pixel处理；（锯齿产生于此步骤）
  • fragment shader（可编程）：对每个像素进行颜色计算处理
  • 深度、混合、alpha等测试后输出给到framebuffer；

具象化的话如图：

GPU内部硬件架构图 gpu硬件设计_Pascal_12

4. 编程性能注意事项

基于上述结构限制，GPU编程应注意如下点：、

  • 尽量减少CPU与GPU之间的memory 拷贝动作
  • 减少顶点 三角形数量
  • 减少渲染状态设置和查询
  • 例如：glGetUniformLocation会从GPU内存查询状态，耗费很多时间周期。
  • 避免每帧设置、查询渲染状态，可在初始化时缓存状态。
  • 减少Overrender操作
  • 尽量使用深度测试剔除无效像素
  • 避免Alpha test，alpha blend
  • 开启深度测试
  • 使用裁剪
  • 小物体数量控制
  • shader优化
  • 避免if switch等分支操作
  • 避免for循环操作（实测可以提升30%性能）
  • 减少纹理采样次数

附录

参考网址：

  1. arm 官网介绍：https://developer.arm.com/solutions/graphics-and-gaming/developer-guides/learn-the-basics
  2. 网络总结：
  3. CUDA高效编程：https://weread.qq.com/web/reader/e32329e071649d2fe32e06bka87322c014a87ff679a21ea