手機(jī)游戲需要怎樣的GPU？

2020~2021年，受疫情下居家影響，手機(jī)游戲消費(fèi)基數(shù)被提前抬高，2022年全球通脹下生活成本支出不斷提升，兩者夾擊壓縮2022年的全球智能手機(jī)銷量和游戲娛樂支出，全球手機(jī)游戲行業(yè)收入呈現(xiàn)見頂下滑態(tài)勢(shì)。

圖 | 全球手機(jī)游戲市場(chǎng)規(guī)模

信源：Statista，Sensor Tower，世界銀行，華安證券研究所

但從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度來看，手機(jī)游戲行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模還未飽和，在未來幾年中有望維持穩(wěn)步自然增長(zhǎng)。根據(jù)ABI Research發(fā)布的2022年調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，手機(jī)游戲用戶將會(huì)從現(xiàn)在的26億增長(zhǎng)到2030年的39億，到2026年，85%的游戲玩家將首選在手機(jī)上玩游戲。無獨(dú)有偶，Statista等機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2030年全球手機(jī)游戲市場(chǎng)空間有望達(dá)到1566億美元（2021年876億美元，21-30 CAGR 6.7%）。

手機(jī)游戲有三大趨勢(shì)值得重點(diǎn)關(guān)注：一是追求真實(shí)的沉浸感體驗(yàn)，畫面更細(xì)膩；二是追求更流暢的體驗(yàn)，整體性能要提高；三是功耗要降低，手機(jī)續(xù)航要持久。前面兩點(diǎn)，我們可以將桌面游戲中的一些技術(shù)演進(jìn)借鑒到手機(jī)游戲中，最后一點(diǎn)必須單獨(dú)攻關(guān)。而這三大目標(biāo)，也給手機(jī)用GPU提出了更新的要求。

日前，Imagination就將其最新的GPU技術(shù)和這三大趨勢(shì)做了一個(gè)一一對(duì)應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上推出了最新的移動(dòng)設(shè)備用GPU——IMG DXT系列。

圖 | GPU技術(shù)和三大趨勢(shì)

從上圖中可以看到，我們可以采用2D Dual-Rate Texturing（2D雙速率紋理處理）、Scalable ray tracing（可擴(kuò)展的光追）和ASTC HDR support來提升手機(jī)游戲用戶的沉浸感體驗(yàn)；采用FSR（片段著色率）技術(shù)、2D Dual-Rate Texturing、Pipeline Data Masters和更高配的性能和運(yùn)算能力來提升手機(jī)游戲用戶的流暢感體驗(yàn)；采用FSR和2D Dual-Rate Texturing來進(jìn)一步降低游戲時(shí)的手機(jī)能耗，延長(zhǎng)其續(xù)航時(shí)間。

那為什么這些技術(shù)可以起到相應(yīng)的效果呢？下面我們具體來分析一下：

• 2D Dual-Rate Texturing（2D雙速率紋理處理）

在游戲中，有了畫面以后需要在游戲后處理階段進(jìn)行額外的處理，降噪或者Super Solution，許多先進(jìn)的游戲依靠大量紋理取樣實(shí)現(xiàn)高級(jí)過濾效果。當(dāng)引入2D Dual-Rate Texturing后，相當(dāng)于開通了一條“快速通道”，在使雙線性濾波性能幾乎翻倍的同時(shí)，最大程度地減少面積的增加并降低整體功耗。如此，GPU不但可以加速諸如游戲后處理和計(jì)算圖像學(xué)應(yīng)用中的濾鏡效果；更高的吞吐量也有助于實(shí)現(xiàn)更快、更低功耗的降噪算法，提高光追畫面的質(zhì)量。

• Scalable ray tracing（可擴(kuò)展的光線追蹤）

所謂光線追蹤，就是用計(jì)算來模擬“每一條”光線運(yùn)行的軌跡、效果，比如光線的反射、折射、散射和色散等，從而來實(shí)現(xiàn)無限逼近于真實(shí)的畫面光影效果，讓已經(jīng)開到頂?shù)?A大作能夠看起來更逼真。

近幾年，光線追蹤已經(jīng)成為各大手機(jī)廠商追求差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的靶點(diǎn)。由于這些光線的折射和漫反需要很大的資源開銷，早期即使高端的服務(wù)器也需要一定時(shí)間烘焙這些畫面，慢慢地在桌面上已經(jīng)拿到實(shí)時(shí)渲染的光追技術(shù)現(xiàn)在要拓展至移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域，就會(huì)面臨更多資源和功耗的問題，所以目前主要是旗艦手機(jī)在用。

對(duì)于更多的非旗艦機(jī)的用戶，難道就不配擁有光追效果嗎？非也，IMG DXT系列就帶來了可配置的硬件光線追蹤RAC（光線加速集群）。從0.5 RAC到4 RAC，可涵蓋從混合實(shí)現(xiàn)方案中的簡(jiǎn)單陰影到3A大作中的高級(jí)光追畫面等各類應(yīng)用。

• ASTC HDR support

通過引進(jìn)硬件級(jí)HDR，標(biāo)準(zhǔn)API支持，可以讓畫面的亮度、對(duì)比度更加真實(shí)。此外，為了最大程度地提高帶寬效率，IMG DXT系列支持更多的壓縮技術(shù)，其中就包括Khronos ASTC HDR，這項(xiàng)技術(shù)能夠擴(kuò)大紋理在明暗區(qū)域之間的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)保留細(xì)節(jié)。

• FSR（片段著色率）

GPU中的片段著色器將場(chǎng)景中的顏色繪制到幀緩沖器上。FSR是一種可以在幾乎不降低圖像質(zhì)量的前提下減少片段著色器運(yùn)行次數(shù)的技術(shù)，能夠降低占用的帶寬與功耗。開發(fā)者可以控制FSR的使用力度，最極端的情況下甚至可以對(duì)一個(gè)4x4的片段區(qū)域只執(zhí)行一次著色器代碼，從而使工作負(fù)載減少近94%，實(shí)現(xiàn)同等的功耗和帶寬節(jié)省。所解放的性能使開發(fā)者能夠利用硬件來完成更多的內(nèi)容渲染，為玩家打造更高質(zhì)量的游戲體驗(yàn)。

• Pipeline Data Masters

Pipelined Data Master會(huì)帶來全域性的畫圖和計(jì)算5%的性能提升，關(guān)鍵點(diǎn)在于之前有一個(gè)Data Master運(yùn)行的時(shí)候另外一個(gè)就要等待，現(xiàn)在有了這項(xiàng)技術(shù)，前面Data Master運(yùn)行，后面一個(gè)任務(wù)就可以提前準(zhǔn)備好，所以調(diào)度的間隙就會(huì)很小，可以帶來5%的性能提升。

• 更高的性能和運(yùn)算能力

IMG DXT GPU搭載全新的著色器處理單元（SPU）。SPU是一個(gè)硅片，包含一個(gè)用于計(jì)算任務(wù)的算術(shù)邏輯單元（ALU）和一個(gè)用于像素著色、幾何處理和光柵化邏輯的紋理處理單元（TPU）。

憑借全新三重通用著色器集群（USC）設(shè)計(jì)（3個(gè)ALU/TPU單元），DXT GPU將每個(gè)SPU的高端計(jì)算和紋理（ALU/TPU）性能提升50%以上，而以前的架構(gòu)只側(cè)重于雙USC設(shè)計(jì)（2個(gè)ALU/TPU單元）。這個(gè)改進(jìn)后的模塊使Imagination能夠創(chuàng)造出最高性能的高端移動(dòng)GPU--DXT-72-2304，這款GPU在1GHz時(shí)鐘頻率下具有72GTexels/s和2.5TFLOP FP32性能。

圖 | 光線追蹤功能開啟前后效果圖對(duì)比

值得一提的是，光線追蹤技術(shù)可以被分為五級(jí)。Imagination首席營銷官David Harold透露：“現(xiàn)在市面上能夠看到的任何宣稱有光線追蹤技術(shù)的手機(jī)，其實(shí)用的都還是第一級(jí)別的軟件解決方案，真正使用起來能耗會(huì)非常嚇人?！?/p>

參考Imagination在2021年發(fā)布首款硬件級(jí)光線追蹤GPU IP 時(shí)提出的光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)（RTLS），如下圖所示：

圖 | 光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)

具體區(qū)別是，第1級(jí)為現(xiàn)有硬件上的軟件解決方案，開銷比較大，CPU占用資源比較高；第2級(jí)增加了對(duì)一些光合或者三角形碰撞用硬件處理DTTU+PTU，節(jié)省了CPU資源，目前典型的桌面顯卡都是這項(xiàng)技術(shù)；第3級(jí)增加了用以處理發(fā)射光線的硬件，有了PCG也就是相關(guān)的分析、分類、聚集和對(duì)BVH的回溯能力，與第2級(jí)解決方案相比，可大大降低功耗；第4級(jí)增加了光線存儲(chǔ)、光線任務(wù)的調(diào)度器以及相干性聚集功能，把相同光線上的光束統(tǒng)一計(jì)算，可以用統(tǒng)一的指令運(yùn)行，大大提升了計(jì)算性能，讓其可以在移動(dòng)端功耗預(yù)算下應(yīng)用；第5級(jí)是一項(xiàng)未來等級(jí)，可在場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)更大數(shù)目的動(dòng)態(tài)目標(biāo)，并帶有額外的硬件加速。

圖 | IMG DXT系列產(chǎn)品型號(hào)

據(jù)悉，IMG DXT系列就屬于第4級(jí)，該系列的旗艦產(chǎn)品DXT-72-2304能夠提供超高端移動(dòng)設(shè)備所需的性能，具有72 GTexels/s和2.5 TFLOP FP32算力。與上一代產(chǎn)品相比，其最大單核性能提升了50%。DXT核的單位面積性能密度比IMG CXT GPU高出20%，同時(shí)大幅降低了功耗。

然而，IP始終還是走在芯片和應(yīng)用的前面了，很多人覺得手機(jī)上光追就是PPT層面，甚至稱其為“有生之年”系列。對(duì)于這個(gè)質(zhì)疑，David Harold認(rèn)為：“主要原因是市面上某些廠商的產(chǎn)品雖然技術(shù)成功了，但能耗過大，難以在手機(jī)上得到實(shí)際應(yīng)用。這也恰恰體現(xiàn)出Imagination 第4級(jí)別的光線追蹤對(duì)性能和能耗優(yōu)化的重要性?！?/p>

事實(shí)上，不同廠商GPU的策略是不太一樣的，IMG DXT系列從算力上并不那么突出，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手ARM以及高通相比，IMG DXT系列的旗艦型號(hào)DXT-72-2304算力水平與兩者上一代天璣9000的Mali-G710 MC10或者驍龍8 Gen1的Adreno730差不多。但不說算力和性能不能劃等號(hào)，手機(jī)游戲上追光之所以 “難產(chǎn)”，最大的問題還是出在功耗上面。

至于DXT能否讓市場(chǎng)滿意，還得等待時(shí)間驗(yàn)證。據(jù)悉，IMG DXT系列預(yù)計(jì)會(huì)在18-24個(gè)月內(nèi)商用。而隨著三星、OPPO、vivo、小米等主流下游廠商的硬件光線追蹤產(chǎn)品的推出，2023年注定是手機(jī)支持光線追蹤的關(guān)鍵一年。