详解GPU

一、GPU定义及内部结构

• 定义

图形处理器（graphics processing unit，缩写：GPU），又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上做图像和图形相关运算工作的微处理器。

GPU使显卡减少了对CPU的依赖，并进行部分原本CPU的工作，尤其是在3D图形处理时GPU所采用的核心技术有硬件T&L（几何转换和光照处理）、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，而硬件T&L技术可以说是GPU的标志。GPU的生产商主要有NVIDIA和AMD。

• 内部组成结构

GPU通常包括图形显存控制器、压缩单元、BIOS、图形和计算整列、总线接口、电源管理单元、视频管理单元、显示界面等。

 

二、GPU的构成：微架构

微架构：又称为微处理器体系结构，是硬件电路结构，用以实现指令执行。

制程：指GPU集成电路的密集度。在晶体管硬件数量一定的情况下，更精细的制程可以减少功耗和发热。

核心频率：代表GPU显示核心处理图形频率大小/工作频率，能够反映显示核心的性能。

 

GPU微架构构成

流处理器单元(Stream Processor，SP)、纹理单元（Texture mapping unit, TMU)、张量单元（Tensor Core）、光线追踪单元（RT Cores）、光栅化处理单元（ROPs）组成。

 

• SP（流处理器）

是GPU最基本的单元。

流处理单元是全新的全能渲染单元，由以前的顶点着色器和像素着色器结合而成的新一代显卡核心架构，是继Pixel Pipelines（像素管线）和Vertex Pipelines（顶点管线）之后新一代的显卡渲染技术指标。流处理单元既可以完成VS（Vertex Shader，顶点着色器）运算，也可以完成PS（Pixel Shader，像素着色器）运算，而且可以根据需要组成任意VS/PS比例，从而给开发者更广阔的发挥空间。

 

• ROPs（光栅化处理单元）

即光栅化处理单元，表示显示GPU拥有的ROP光栅操作处理单元的数量，它能够对3D图形进行几何、设置、纹理和光栅处理。

它主要负责游戏中的光线和反射运算,兼顾AA、高分辨率、烟雾、火焰等效果。游戏里的AA(抗锯齿)和光影效果越厉害,对ROPs(光栅化处理单元)的性能要求也就越高,否则就可能导致游戏帧数急剧下降.比如同样是某个游戏的最高画质效果,8个光栅单元的显卡可能只能跑25帧.而16个光栅单元的显卡则可以稳定在35帧以上。

• TMU(纹理映射单元)

纹理映射单元（TMU）作为GPU的部件，它能够对二进制图像旋转、缩放、扭曲，然后将其作为纹理放置到给定3D模型的任意平面，这个过程称为纹理映射。纹理映射单元不可简单跨平台横向比较，大量的纹理映射单元是GPU性能强劲的必要非充分条件。

 三、GPU的构成：API概述

API是（Application Programming Interface）的缩写，即应用程序编程接口。在GPU中，API是一组定义了软件与硬件之间通信规则和功能的接口。它提供了一种标准化的方式，使得开发者可以通过调用API函数来访问和控制GPU的功能。它们提供了丰富的图形和计算功能，使得开发者可以更方便地利用GPU进行图形渲染和计算任务。

3D API能够让编程人员所设计的3D软件只需调动其API内的程序，让API自动和硬件的驱动程序沟通，启动3D芯片内强大的3D图形处理功能，可以提高大幅地提高3D程序的设计效率。如果没有API，那么开发人员必须对不同的硬件进行一对一的编码，这样会带来大量的软件适配问题和编码成本。

目前GPU API可以分为2大阵营和若干其他类。2大阵营分别是微软的DirectX标准和KhronosGroup标准，其他类包括苹果的Metal API、AMD的Mantle（地幔）API、英特尔的One API等。

四、GPU的构成：苹果Mental API和Vulkan API

Metal是Apple在2014年创建的接近底层的，低开销的硬件加速3D图形和计算着色器API。它旨在通过为iOS，iPadOS，macOS和tvOS上的应用程序提供对GPU硬件的底层访问来提高性能。相较于OpenGL ES，Metal减少了10倍的代码拥挤，提供了更好的解决方案，并将会在苹果设备中取代OpenGL。Metal也支持英特尔HD和IRIS系列GPU、AMD的GCN和RDNA GPU、NVIDIA GPU。Metal也是可以使用Swift或Objective-C编程语言调用的面向对象的API。GPU的全部操作是通过Metal着色语言控制的。

 

Vulkan是一种低开销，跨平台的3D图像和计算API。Vulkan面向跨所有平台的高性能实时3D图形应用程序，如视频游戏和交互式媒体。与OpenGL，Direct3D 11和Metal相比，Vulkan旨在提供更高的性能和更平衡的CPU/GPU用法。除了较低的CPU使用外，Vulkan还旨在使开发人员更好地在多核CPU中分配工作。

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