高解析度發燒 行動裝置多核GPU應用成趨勢

針對行動裝置設計的SoC產品，已逐漸導入多核心GPU來強化產品整體性能表現。Samsung

隨著高解析度、3D內容應用持續增加，智慧型行動裝置在系統設計導入多核心GPU的趨勢也逐漸成為主流，若是僅使用雙核心的GPU來處理繁重的圖像運算工作，晶片效能已顯得有些捉襟見肘，利用多核心整合之GPU設計不只可提升產品的使用體驗，還能因應未來內容提供最佳展演效果...

不只是大型屏幕的電視、平板電腦都開始導入高清晰、3D影像呈現等應用內容，在智慧型行動電話也開始導入超越雙核架構的多核GPU設計方案，因為僅靠單核或雙核的運算效能，雖可勉強達到應用要求低標，但對於1080p甚至於3D影像支援，勢必須要使用多核架構之GPU來強化高清多媒體內容的呈現效果。

New iPad Retina技術 考驗顯示架構設計

觀察產業趨勢可以發現，在現有市售產品中，多核GPU應用趨勢正撲天蓋地的攻佔行動裝置的顯示設計方案，像是Apple產製的iPhone 4s、New iPad等，甚至是新一代號稱搭載Retina技術的MacBook Pro，顯見在行動裝置上所裝載的顯示屏解析度，已經有超越常規的倍數增長，此類超高解析度的屏幕設計方案，也代表著系統的SoC所整合之GPU性能，必需能跟上顯示面板的高解析度要求，以達到最佳化的視覺、效能設計平衡。

觀察New iPad超高解析度屏幕的配套設計方案，即可看出行動裝置朝向超高解析度發展的必然趨勢！New iPad平板電腦在搭載視網膜螢幕時，已將自己的高解析度設計導入方案中，從前代設計的1024×768像素方案，一口氣拉升至2048×1563與畫素、密度達264ppi的高規格，以提升消費者在進行多媒體娛樂時的使用經驗。而原始設備製造商(OEM)為提升高解析度畫質體驗與強化3D運算效能，亦將同時帶動行動裝置多核心GPU的市場需求。

高解析度應用趨勢衝擊系統開發思維

在高解析度應用趨勢下，可能會衝擊到以前以「CPU」為開發重點的設計思維，尤其是在行動裝置，一般為了提升整體效能，多數會把設計重心放在提升CPU效能設計方案，GPU並非考量重點，但面對硬體屏幕的解析度倍數提升，2D、3D影像的解碼、呈現運行負荷，已經使得現有的GPU負載大幅增加，甚至成為整體效能的關鍵瓶頸。

而行動裝置中，為了達到設計微縮與省電目的，大多會採行系統單晶片(SoC)的設計方案來架構系統，而SoC的處理負荷勢必只會更為沉重，至於影響整體多媒體、視聽應用的技術關鍵，即在GPU身上，設計方案必需有效紓解圖像處理的沈重負荷，讓CPU維持高效能狀態隨時因應處理觸發事件與指令，至於影像呈現部分則轉由多核心GPU處理，不只分散SoC運算處理工作，減輕CPU的運算負荷，也能有效降低SoC的能耗與溫度，達成行動裝置的省電設計目標。

行動應用需在有限資源 滿足最大化的顯示器支援

以行動裝置的GPU設計方案PowerVR系列GPU矽智財(IP)為例，Imagination的PowerVR G6230/G6430可因應二叢集與四叢集架構來進行SoC功能整合，整合最佳化繪圖效能設計方案，尤其因應硬體的超高解析度屏幕設計導入需求，設備的影音體驗與3D遊戲呈現效果，因為導入的GPU方案不同，也會直接左右終端產品的效能體驗。

尤其是在高階GPU整合方案部份，GPU核心已開始採行28nm前衛製程，來開發GPU核心，入門與中階產品開始採行雙核心設計方案，至於高階或是整合3D內容播放的產品設計，則勢必需搭載最新穎的四核心GPU設計方案，甚至直接跳躍升級至八核心方案，來進一步提升產品運行超高解析度內容的應用效能。

但隨著行動裝置所使用的GPU核心數逐漸增加，這也會造成產品所使用的SoC面積出現越來越大的設計困擾，因為行動裝置必需儘可能壓縮設計面積與產品厚度，SoC礙於追加更多核心，最終料件面積肯定會增加不少，加上目前雙核、四核已成為主流，但發展至超越八核以上的設計方案，SoC的面積將會形成新的產品開發瓶頸。

GPU核心數增加 連帶影響SoC元件面積

雖然在SoC內透過多核心功能IP的增加，即可達到多核應用需求的設計目標，但實際上先前也有提過，每個GPU核心仍會佔用一定程度的IC載版面積，現階段應用觀察在整合2~4核應用GPU並不會出現問題，但在超過4~8核或更多時，就很可能因為GPU核心的面積佔用使得SoC的體積變大，尤其在行動裝置內部載板空間本來就相當吃緊的限制下，追加核心的設計方案必須重新思考。

延續前述，當SoC所導入的多核GPU架構後，GPU可以輕易獲得超過1TFLOPS的運算效能，即便因應如Retina技術超高解析度屏幕設計方案時，還有足夠的運算性能因應如子母畫面、3D內容顯示的繁重圖像解碼與運算。

除GPU的性能問題外，GPU設計方案也必須同步搭配因應未來高清內容的視訊解碼器、編碼器設計方案，尤其在面板解析度提升、呈現的色深度升級的前提下，舊有的視訊編？解碼器勢必會出現效能上的瓶頸，設計方案必須改良現有的視訊編？解碼器，或是應用新一代的設計方案，來因應HD/Full HD甚至是Ultra HD的內容應用需求。

至於面板技術的精進，也會造成多核GPU與之搭配的視訊編碼器必須同步升級，例如，新穎的AMOLED顯示屏，具備可自發光、超薄的材料優勢外，其實AMOLED屏幕的色彩呈現能力與液晶面板對比，在規格面已遠遠超越LCD材料方案，面對這類新穎的顯示元件時對應的視訊編碼器亦必需同步提升，提供如10bit甚至超越10bit以上的設計方案，色處理能力也必須支援超過10億種色彩，才能充分發揮新的顯示材料優勢。

因應面板的升級，在多核GPU的加持下，透過運算效能的提升雖可在2D顯示應用達到最有效的升級，但實際上若是在現有最熱門的3D應用娛樂內容方面，則必須搭配如嵌入式系統對如OpenGL ES之類的3D加速進行整合與最佳化設計，來讓終端產品的3D顯示能在大螢幕或超大螢幕解析度的展演畫面，維持最佳化的3D影像即時渲染與建模呈現。

但行動裝置的3D效能提升方案會比單純的2D視訊強化要複雜許多，因為更大的屏幕或是解析度更高的畫面呈現，同時也代表著3D畫面需渲染得更精細才能達到同步提升的效果，而3D畫面要更趨精細真實，代表著影像必需同時即時呈現更多的貼圖材質，這會產生大量的建模與材質素材巨量傳輸資料，在SoC內的多核GPU除內部晶片間的傳輸效能需再提升，3D處理還需透過多管線、多核分散運算來強化3D呈現效能。