浅析Arm全新Mali G76 GPU：全方位进化，但仍不足与高通苹果匹敌

浅析Arm全新Mali G76 GPU：全方位进化，但仍不足与高通苹果匹敌

2018-06-04 13:19 来源:雷锋网 高通 /苹果 /三星

原标题：浅析Arm全新Mali G76 GPU：全方位进化，但仍不足与高通苹果匹敌

距离Arm公布代号Bifrost的次世代GPU架构并推出Mali G71核心已经两年了， 然而作为先锋的Mali G71在麒麟960和Exynos 8895中的表现都不尽人意，其功耗之高明显超出了预期。之后的Mali G72是一款更为合理的产品，它更接近Bifrost架构所承诺的能效目标，在麒麟970和Exynos 9810上实现了100%的能效提升。

今天，Arm公布了Mali G72的后续产品，也是Bifrost系列的最新产品：Mali G76，目标非常明确：提高单位功耗性能和单位面积性能，并尽可能地赶超竞争对手。Arm承诺，在台积电7nm工艺的支撑下，使用Mali G76的下一代SoC性能可提高50％。

横向来看，Mali G76重点改善了三个关键指标，首先是性能密度提高了30％，这意味着GPU面积不变，性能可提高30％；或者在性能相同时，可缩小约24%的GPU面积。其次，Mali G76的微架构效率提升了30%，这要归功于架构内功能块的整合。最后，Arm为Mali G76添加了新的专用8位点积指令，使其机器学习推理性能提高了2.7倍。

扩充架构规模

对于Arm的GPU设计来说，Bifrost已经是一个现代的图形架构，3D图形技术在过去的两年中也没有发生重大变革。Mali G76在图形特性方面和Mali G72完全一样，变化集中在图形计算过程中。

与Mali G72相比，Mali G76在架构上的优化幅度更大。虽然它仍是Bifrost架构，但GPU的工作方式发生了很大变化。无论在移动GPU还是桌面GPU领域，Mali G76都是单个图形体系版本迭代中变化最大的之一。

前代Mali G71/G72的每个EU模块中包含4组FMA和ADD/SF流水线并组成一个线程粒度，Arm将这种模块结构称为“Quad”。随着技术和应用的发展以及移动GPU在VR和高画质游戏领域的压力不断增加，Quad结构的运算效率已逐渐无法满足需求。

根据Arm的数据，Mali G76为了进一步提高架构的性能和面积效率，将GPU内的基础计算模块的规模增加了一倍，单个EU内拥有8组FMA和ADD/SF流水线。全新EU结构的面积并没有大幅增加，相比前代只提升了22%，但性能却得到了显著提升。

这是一个非常有趣的变化，通常来说线程粒度的尺寸通常代表着硬件架构的典型特性。PC GPU的线程粒度已经有许多年没有变动过了，NVIDIA自2006年至今一直保持着32宽度，AMD则从2011年至今一直使用64宽度。

此前Bifrost架构所用的Quad结构，相比竞争对手架构的线程粒度（16~32宽度）要小很多。通常来讲，线程粒度反映了架构在资源/面积密度和性能之间的平衡点，较大的线程粒度可节省控制逻辑单元数量（单个32宽度线程粒度只需1个控制逻辑单元，而8个4宽度线程粒度需要8个控制逻辑单元）。

但线程粒度越大，控制单元填充它就越困难。Arm的GPU哲学总体上注重的是尽量避免执行停滞，通过使用更小的线程粒度降低线程发散的可能性。分割线程虽然并不难，但也会造成性能损失。

Arm在推出Bifrost架构时表示，他们采用了4宽度线程粒度，以减少因线程发散所造成的ALU（算术逻辑单元）闲置。这从理论上看是一种很好的策略，如果运算中有大量分支代码，那么因线程发散而闲置的ALU就没有了任何价值。

然而对于一个很小的线程粒度来说，控制逻辑单元与ALU的比率太高了，浪费了大量硬件规模。Mali G76换用8宽度线程粒度后，降低了控制逻辑单元与ALU的比率，在ALU吞吐量翻倍的情况下，EU模块的规模只比之前4宽度线程粒度时增加了28%。

虽然Arm并没有做出更明确的解释，但雷锋网认为此次改变其实反映出Arm此前4宽度线程粒度的设计有些一厢情愿了，实际游戏中几乎用不到这么小的尺寸。更致密的Quad结构也有助于扩充架构规模，Arm可以在单位面积上塞入更多ALU以提升性能。

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