Arm Mali-G78:為行動平台帶來真正的沉浸式娛樂


作者:GPU部門產品經理Stephen Barton May 26, 2020


過去幾年內,Arm的合作夥伴每年都出貨超過10億顆Mali GPU,讓Mali成為地球上出貨量最大的GPU。隨著更多不同層級與類型的裝置能支援繪圖密集的使用案例,包括從先進的手遊到延展實境(XR=虛擬實境VR加上擴增實境AR),Mali出貨量將繼續增加,並成為橫跨生態系行動發展使用最廣泛的GPU。


從2019年推出的行動IP,我們看到Mali系列產品的升級,其中包含我們第一顆基於全新Valhall架構的GPU G77。Arm Mali-G77 GPU代表我們高階GPU層級在效能與能源效率上的大幅躍進,2020年我們透過Arm Mali-G78 GPU,再向前跨出一步。它是迄今供高階行動裝置使用的最高效GPU,這是有數據支持的事實,Mali-G78裝置對裝置的效能提升幅度達到25%,帶來了「改變遊戲規則」的繪圖及可全天遊戲的行動遊戲。


Arm 性能最佳的 GPU


Mali-G78設計時就考量到開發人員與終端用戶,以確保高階行動裝置能提供開發人員想要打造而用戶渴望的沉浸式娛樂體驗。Mali-G78帶來高品質的手遊體驗,讓玩家現在也可以在手機上進行電玩主機的遊戲。Mali-G78不僅提供了更高的顯示品質也為高階行動裝置帶來更長的電池壽命,這意味用戶享用喜愛的遊戲應用時,可以比以前玩得更久。Mali-G78同時也帶來進一步的機器學習(ML)效能的提升,可以幫忙在行動裝置上處理更為複雜的遊戲、影像、攝影機與保全等ML功能。


藉由 Mali GPUs 獲得的沉浸式體驗


「改變遊戲規則」的科技

一如之前我們在行動遊戲一文中討論過,遊戲產業目前的焦點已經轉移至「行動優先」。根據市場情報機構Newzoo,行動平台2019年在全球遊戲市場中的佔比超過46%,營收達到682億美元。手遊未來幾年將持續成長,幅度超越個人電腦(PC)與電腦主機。


此一非凡的成長,也造成更多的高階遊戲轉戰行動平台。高人氣的高保真與多人遊戲如《要塞英雄》(Fortnite)與《絕地求生》 (PlayerUnknown's Battlegrounds),在行動裝置與電玩主機上都有人玩,而用戶的體驗也相當類似。Mali-G78在此處扮演極為重要的角色。


Mali-G78提供所需的效能提升,讓玩家得以在行動平台上達成這些類PC與電玩主機的遊戲體驗。與Mali-G77相比,針對遊戲內容的效能密度提升了15%。這意味Mali-G78跟前一代產品比起來,同樣的面積上可以提供更高的效能。如此效能的提升,主要是受惠於下列四個關鍵的功能:

  • 最多支援24個核心
  • 非同步設計 (Asynchronous Top Level)
  • 圖塊模組的強化 (tiler enhancements)
  • 像素相依性追蹤(fragment dependency tracking)的改良

我們增加了最大的核心數目以提供前所未有的效能。Mali-G77最多的核心數目是16核心,我們把它提高到24核心,以便把效能再往上推升。我們認為非同步設計 (Asynchronous Top Level) 是影響GPU效能的,它可以確保所有這些效能都能高效率且有效地傳送到所有的核心。這能儘可能地從手遊擠壓出最多的效能,確保最大的效能生產力。


非同步設計的優點


圖塊模組 (tiler) 的提升為手遊增添額外效能。從PC與電玩主機改編至行動平台的遊戲,擁有極為複雜的資產與場景,會造成效能的障礙點與瓶頸。圖塊模組的改善可以在處理這些複雜場景與資產時,降低GPU的尖峰負載。對於複雜的PC與電玩主機遊戲內容可提升效能。


將複雜的遊戲內容帶入生活


最後,我們也強化了Mali-G78的像素相依性追蹤 (fragment dependency tracking)。同樣地,這對包含煙霧、樹木與草地等複雜遊戲場景的手遊,影響特別大,此一功能的改變帶來的成果,令人印象深刻。與Mali-G77的效能相比,在頂尖手遊的不同畫幀上,我們最高可以看到高達17%的效能提升。


我們已經與遊戲與科技開發公司Crytek合作,將其著名的CRYENGINE遊戲引擎首次導入安卓的手機生態系中。我們把它視為在行動平台上能提供桌機等級繪圖的第一步。我們正與Crytek公司及Google密切合作,以確保Crytek公司旗艦的 "Neon Noir demo” 能充分利用Arm Mali上的Vulkan,達成卓越的繪圖保真度;這是開發人員利用並優化Mali GPU的好處以達成真正沉浸式手遊體驗的絕佳範例。


長電池壽命 以隨時享受沉浸式娛樂

Mali-G78效能上的提升已經令人印象深刻,但從系統觀點來看,總是有努力的空間。行動裝置需要更長的電池壽命,以便讓用戶在行動過程中,在行動裝置上玩一整天自己喜歡的遊戲,即便是,會快速消耗電力的高度運算密集的應用,也可以撐一整天。因此,我們需要透過可持續的方式提升效能。除了15%的效能密度躍升,Mali-G78的能源效率還提升了10%。


與效能一樣,非同步設計 (Asynchronous Top Level) 在能源效率方面也扮演重要的角色。使用非同步設計可帶來耗電的減少,因此內容可以用可持續的方式產出。這意味當裝置以想要的幀率輸出內容時,它可以降頻以節省能源。針對此一任務提升頂層邏輯 (Top Level) 的頻率,會多消耗一些能源,但降低著色器引擎 (shader) 核心頻率帶來的省電幅度卻大上許多,這是因為著色引擎核心使用90%到95%的GPU總耗電量。


藉由 Mali-G78 降低的功耗


另一個造成Mali-G78能源效率更佳的重要功能,則是執行引擎內全新的Fused Multiply-Add (FMA)單元。這部份完全重新設計,為單元減少30%的能源消耗。FMA單元負責GPU內部大部份的運算,因此我們想要降低能源消耗時,它是很好的對象。


為ML行動使用案例進行的效能提升

儘管GPU主要的功能是繪圖處理,它的平行數據處理能力讓它同樣適合運行ML工作負載。雖然CPU與NPU仍是ML運行的主要處理器,但隨著使用案例變得愈發複雜,其中一些工作負載將會卸載給GPU。GPU主要的ML使用案例與裝置的保全功能、不同的攝影機與影像模式,或AR功能應用有關。


GPU由於聚焦在特定的應用上,因此GPU上ML的角色相當重要。即時的AR表情符號是現代通訊應用軟體一個有趣的功能,例如Snapchat。當用戶拍照或攝影時,它會把AR卡通的功能轉置到用戶的臉上。GPU用來檢測臉部的情緒,以便自動選擇適合的表情符號。照片或影片圖框內的臉孔追蹤,也可以利用GPU來進行。此外,更多運算密集且基於AR的應用也拜GPU上的ML之賜,得以出現在智慧手機上,例如利用AR功能的手遊應用。這些遊戲靠GPU把AR繪圖與功能轉置到真實世界的環境裡,而ML則改善了這個流程。


驅動裝置上機器學習效能


與Mali-G77相比,Mali-G78為了執行各種基於ML的任務,針對各種ML工作負載平均效能提升15%。儘管Mali-G77與之前世代的GPU相比ML效能已經大大提升60%,但我們還是更上層樓。不過,非同步設計對於推升ML效能也相當重要,原因是調整著色引擎核心時脈可以幫助GPU上的各種ML使用案例。


我們同時推出全新次高階的GPU...

除了Mali-G78,我們同時推出Arm Mali-G68 GPU。這是針對2021年裝置推出的第一個次高階的Mali GPU。它繼承了Mali-G78如圖塊模組的改善 (tiler enhancements) 與執行引擎內全新FMA單元等所有功能,但最多支援的核心數目從24降成6。因此,這為想用較低的成本取得近乎高階效能的用戶提供一個替代方案。


Mali-G68 特性


我們在傾聽夥伴們想要把優質功能與技術擴展至他們所有裝置產品線的聲音後,開發出這個次高階的GPU層級。它協助我們把高階使用案如高效能遊戲,帶給更多的開發人員與消費者。此外,我們的合作夥伴想要降低多GPU設計所需的設計與規劃成本。Mali-G68讓他們可以重覆使用原有的設計,並把它們擴充到更小的矽晶圓面積上。


提升開發人員體驗

除了持續提升我們的Mali GPU產品,我們也打造關鍵的生態系夥伴關係與工具,以提升開發人員整體體驗。這讓開發人員得以打造出最令人興奮、最引人入勝、最沉浸且效能最高的應用,並讓終端消費者直接受惠。


Arm Performance Advisor


最近我們檢視了我們的效能分析工具,讓開發人員利用它在Mali GPU上運行時,能優化自己內容且運行更加順暢。最近一個不錯的例子是用戶可以從Arm網站免費下載的Performance Advisor。這套工具藉由優化效能讓開發人員能更容易的利用Mali來優化內容。它可以快速檢測出瓶頸,甚至提供一些效能改善的建議。這一點相當重要,原因是開發人員不想花時間尋找程式碼內哪個區域出現問題;他們想要馬上知道問題出在哪裡,如此一來可以把時間花在實際處理問題上。


工具之外,我們與Unity的夥伴關係也提升開發人員的體驗,也會帶來更多內定的遊戲效能。這讓開發人員得以把時間挪到創造更誘人的內容,而花在優化程式碼的時間也會變少。我們也與Unity合作要幫忙把Burst Compiler (突發編譯器) 導入 安卓系統,以強化多核心處理器的效能與電力管理。此外,我們正在整合我們自己的效能分析能力與Unity的工具,以帶來更為無縫的開發人員體驗,同時提升利用Arm技術的Unity的產品效能。


由於Unity與遊戲開發人員關係極為密切,我們相信這個夥伴關係對於行動生態系,是個意義重大的發展。Unity遊戲引擎驅動超過五成的手遊,因此數量龐大的遊戲應用不但會更為快速地導入市場,它們的效能與效率也會變得更高。最終來說,這將讓玩自己喜歡的手遊、使用自己喜歡的應用甚或創造自己內容的終端消費者受惠。


效能與效率間的完美平衡

Mali-G78代表提升效能與能源效率之間完美的平衡。GPU為矽晶圓商家、裝置製造商與開發人員提供所需的效能,以便在行動裝置上帶來各種複雜的沉浸式娛樂體驗。這包含為行動平台優化高品質的類PC與電玩主機遊戲、更多的娛樂,以及更多基ML的使用案例與應用。不過,Mali-G78也提供省電的好處,讓電池壽命可以維持一整天。這意味用戶在行動過程中,可以更為長久地享用所有這些娛樂體驗,而行動裝置不會沒電。


Mali-G78 特性總結


效能與能源效率的互補性能透過全新的24個著色引擎核心與關鍵的非同步設計 (Asynchronous Top Level) 功能最佳闡釋。這些科技的結合加上我們各種的效能優化工具,可以透過生產力最高與最高可能效率的方式,提供最大的效能。為開發人員釋放出Mali-G78的眾多優點,可以協助他們打造未來的應用與2021年的次世代行動裝置。