Видеокарта PowerVR SGX 544MP в подробностях.

 Сегодня мы рассмотрим GPU для мобильных устройств PowerVR SGX 544MP или просто PowerVR 544MP. Скажу сразу, что эта видеокарта получила сегодня очень широкое распространение в современных SoC (Системах на Чипе). Сегодня графический чип PowerVR 544MP мы можем увидеть, как в сегменте телефонов, так и в сегменте планшетных ПК. PowerVR 544MP используется, как в доступных для нашего кармана китайских телефонах построенных на базе четырех ядерных MT6589/MT6589T, так и в самых дорогостоящих, построенных на основе восьми ядерного ARM процессора - Exynos 5410, или в народе Exynos 5 Octa, который используется в топовом смартфоне от корейского бренда - Samsung Galaxy S4. Так же видеокарта PowerVR SGX 544MP встречается в составе других SoC, к примеру, производства компаний ST-Ericsson, Texas Instruments и Allwinner. К слову сказать, четырех ядерный ARM процессор Allwinner A31 сейчас используется в самых производительных китайских планшетах. И в его составе тоже трудится наш герой - PowerVR SGX 544MP. Но почему производительность в 3D всех этих устройств так отличается? И откуда вообще взялась компания PowerVR? На все эти вопросы мы будем сегодня вместе с вами искать ответы.

Давайте совершим экскурс в прошлое. Если вы помните вторую половину 90-ых годов прошлого столетия, то кроме рэкета и “прихватизации” вы должны были застать ту эру на рынке ПК, когда помимо видеокарт существовали так называемые 3D ускорители. Помните устрашающую надпись на коробочке вожделенной для всех геймеров того времени Voodoo 3dfx?

 В те далекие времена, рынок видео-ускорителей еще не был консолидирован двумя производителями. И среди прочих, на рынке 3D ускорителей, присутствовала компания PowerVR. Компания пыталась конкурировать по соотношению цена/качество с представителями рынка того времени. В том числе, PowerVR пыталась соперничать и со знаменитой 3dfx Interactive. Пока последняя не объявила себя банкротом в октябре 2002 года. Что было тогда событием мирового масштаба в ИТ-индустрии.

Первая линейка видеокарт PowerVR (Series 1), выпускалась компанией PowerVR в 1996-1997 годах. В линейке присутствовали всего две модели PCI видеокарт. Они выпускались в виде OEM продукции и присутствовали на некоторых моделях ПК сборки Compaq и других OEM-производителей. В розничной продаже их можно было найти под названием VideoLogic Apocalypse 3D. Обе карты поддерживали DirectX 3.0

Вторая линейка видеокарт PowerVR(Series 2) , выпускалась компанией PowerVR в 1998-1999 годах и получила кодовое название CLX2. PowerVR Series 2 присутствовали на рынке в консолях Dreamcast в период между 1998 и 2001 годами. В рамках внутренней конкуренции компании Sega, чип позиционировался как преемник Saturn. PowerVR получил лицензию от NEC и выпускался в компановке, основанной на дизайне 3dfx Voodoo 2. Благодаря производительности PowerVR2, несколько игр для Dreamcast, такие как Quake III Arena могли конкурировать с их коллегами для PC платформы. При всем успехе Dreamcast, настольный вариант для PC, продаваемый как Neon 250, появился на рынке спустя целый год. На тот момент он был уже практически неактуален, в лучшем случае его можно было бы назвать решением среднего класса. Обе модели поддерживали DirectX 6.0, но только PMX1 поддерживала MiniGL (прародитель OpenGL).

Третья линейка видеокарт PowerVR (Series 3), выпускалась компанией PowerVR (STMicro) под кодовым названием Kyro II. В 2001 году STMicroelectronics выпустили линейку третьего поколения PowerVR3. Это были STG4000 KYRO и STG 4500 KYRO II.  Хочу отметить, что PowerVR3 KYRO II, выпущенный в 2001 году, был в состоянии конкурировать с более дорогими DDR ATI Radeon и NVIDIA GeForce GTS 2 в графических тестах того времени, несмотря на отсутствие аппаратной трансформации и освещения (T&L). Позже в играх все чаще стала иметь место оптимизация под карты с  аппаратным T&L. Естественно,  KYRO II потеряла свое преимущество в производительности и актуальность. Другие два чипа PowerVR так и небыли выпущены, оставшись лишь проектом на бумагах инженеров.

Четвертая линейка видеокарт PowerVR (Series 4), включала в себя STG5000 STM чип, основанный на PowerVR4. Он включал в себя поддержку аппаратного T & L, но так никогда и не увидел свет. Его выпуск, как и KYRO 3 ( 2D/3D AIB ) были отложены в связи с закрытием STMicro. Чип MBX компании PowerVR добился больших успехов на рынке мобильной графики с низким энергопотреблением. Чип MBX и его приемник SGX, были лицензированы семью из десяти топ производителей полупроводниковой промышленности. Среди них такие компании как: Intel, Texas Instruments, Samsung, NEC, NXP Semiconductors, Freescale, Renesas и Sunplus. На базе этих чипов были выпущены многие телефоны high-end класса того времени, включая: iPhone, Nokia N95, Sony Ericsson P1, Motorola Razr Z8 и даже некоторые iPod's.

Существовали два варианта: MBX и MBX Lite. Оба имеют одинаковый набор функций. PowerVR MBX был оптимизирован по скорости, а PowerVR MBX Lite был оптимизирован для низкого энергопотребления. PowerVR MBX мог работать в паре с FPU, FPU Lite, VGP Lite и VGP.

PowerVR Video Cores (MVED/VXD) и Video/Display Cores (PDP) используются в некоторых телевизорах высокой четкости HDTV, в том числе Sony BRAVIA.

Пятая линейка видеокарт PowerVR SGX (Series 5) , выпускалась компанией PowerVR с июля 2005 года по январь 2010 года.Series 5 PowerVR SGX серия оснащена аппаратной поддержкой пиксельных, вершинных и доменных шейдеров. Аппаратно поддерживает OpenGL ES 2.0 и DirectX 10.1 с Shader Model 4.1. Ядро PowerVR SGX GPU включено было во многие популярные SoC системы (системы-на-чипе). К примеру, PowerVR SGX используется во многих портативных устройствах Apple, таких как: iPhone 4, IPAD, IPod Touch и Apple TV. Графическое ядро PowerVR SGX можно увидеть в составе чипов от Texas Instruments: OMAP 3 и OMAP 4 серии. Графика PowerVR используются в BlackBerry PlayBook, Nokia N900, Sony Ericsson Vivaz, Motorola Droid / Milestone, Motorola Defy, Motorola RAZR D1/D3, Droid Bionic, Archos 70, Palm Pre, Samsung Galaxy SL, Galaxy Nexus, Open Pandora и другие. Компания Samsung производит SoC систему Hummingbird  с PowerVR SGX на борту. Она трудится в телефонах: Samsung Galaxy S, Galaxy Tab, Samsung Wave S8500 Samsung S8530 Wave II и Meizu M9 . Intel использует PowerVR SGX 540 на Medfield платформе.

Пятая линейка видеокарт PowerVR SGXMP (Series 5XT)по сути это усовершенствованные, многоядерные варианты PоwerVR SGX линейки. На сегодняшний день чипы PоwerVR SGXMP, получили очень широкое распространение, и пользуются высокой популярностью среди производителей мобильных телефонов и планшетов всех ценовых диапазонов.PоwerVR SGX MP серии можно встретить как внутри флагманского брэндового устройства, так и на борту китайского планшета или телефона. К примеру, PowerVR SGX 543MP4 трудится в недрах PowerVR SGX 543MP4+ (200 MHz, 133 MPolygon/s, 4 GPixel/s и объемом видеопамяти 128 мегабайт). В кодировке PowerVR SGX - MP4 обозначает 4 ядра (четырехъядерный). Сегодня в большинстве современных 4 ядерных планшетов, работает Allwinner A31 (четырехъядерный ARM процессор), так вот он наделен двухъядерным PowerVR SGX 544MP2, в составе которого трудятся 2 ядра с тактовой частотой 355 MHz. Далее, в нашем списке идет продукция от именитой Apple. ARM процессор A5, на котором базируются iPad 2 и iPhone 4S так же пользуется двумя графическими ядрами PowerVR SGX 543MP2. Далее продолжая яБлочную тему: iPad 3, работающий на базе ARM процессора из A5X линейки, также для обработки графики, пользуется услугами четырехъядерного PowerVR SGX543 MP4. И даже в недрах последнего iPhone5, работающего на основе супер-производительного ARM процессора A6, мы снова обнаруживаем трехъядерный PowerVR SGX 543MP3. Как вы думаете на основе какой графики работает топовый планшет iPad 4 ? Правильно! ARM процессор серии A6X, работающий внутри iPad4, обладает четырехъядерной видео-подсистемой, PowerVR SGX 554MP4 ! Ну и наконец Exynos вариант флагмана Samsung Galaxy S4, тоже работает на базе трехъядерного PowerVR SGX 544MP3, тактовая частота на каждое ядро у которого составляет аж 533Mhz!

И наконец все три варианта, такого популярного на сегодняшний день, четырехъядерного ARM процессора от компании MediaTek: MT6589, MT6589M и MT6589T, тоже пользуются преимуществами графической подсистемы PowerVR SGX 544. На частотах для MT6589 - 286MHz, для MT6589M - 156MHz,  и для MT6589T тактовая частота видеокарты PowerVR SGX 544 составляет 357Mhz.

Шестая линейка видеокарт PowerVR Rogue Series. Заглядывая в недалекое будущее, расскажу вам о перспективах, которые не заставят нас долго ждать. Следующее поколение видеокарт PowerVR, будет иметь кодовое название Rogue (Разбойник или Бродяга). Видеокарты этой линейки, пока что существуют только на бумагах инженеров. Но уже компания ST-Ericsson обьявила, что их новый ARM процессор под кодовым названием Nova, будет оснащен графикой PowerVR Rogue Series 6. Все ниже приведенные данные имеют предположительный характер, в силу того, что реальных чипов на базе этого графичекого ядра пока что еще нету.

Чипсеты PowerVR используют метод 3D-рендеринга, известный как плиточный. Он основывается на методе отложенного рендеринга (сокращенно TBDR). Поскольку программа генерирации полигонов скармливает треугольники драйверу PowerVR , он сохраняет их в памяти в строке, предназначенной для этого в индексированном формате. В отличие от других архитектур, рендеринг многоугольника (обычно) не выполняется, пока информация обо всех многоугольниках не будет собрана для текущего кадра. Кроме того, дорогостоящие (по GPU меркам) операции текстурирования и затенения пикселей (или фрагменты) будут по возможности отложены до момента, пока не будет установлена видимой поверхность верхних полигонов.

Для реализации этой технологии в чипах PowerVR, дисплей весь как бы разделяется сеткой, состоящей из прямоугольников. Эти секции еще называют плитками. Каждая плитка представляет собой набор из треугольников, которые заметно перекрываются друг другом. Каждая плитка используется в свою очередь, для получения конечного изображения.

Плитки отображаются с помощью процесса, сходного с “Ray-литьями”. Все лучи отливаются как бы на треугольники, связанные с плиткой и видимый пиксел оказывается из треугольника ближе всего к камере. PowerVR чипы аппаратно (обычно) рассчитывают глубину каждого полигона для одной плитки, в каждой строке за 1 цикл.

Этот метод имеет преимущество в отличие от общепринятого метода рендеринга (для видеокарт на PC) с использованием Z-буфера, тем, что расчеты не производятся, если определено, что полигон находится на данный момент в районе, где он скрыт от нас за другой геометрией. Это также помогает при прорисовке частично прозрачных полигонов, и зависит от порядка, в котором производятся расчеты приложением. Что немаловажно, так это то, что рендеринг ограничивается одной плиткой в один момент времени. Благодаря чему, единовременно вся плитка может находится в быстрой памяти самого чипа, которая записывается из видео памяти перед каждой обработкой (расчетами) следующей плитки. При нормальных обстоятельствах, каждая плитка расчитывается только один раз за кадр.

PowerVR не только является пионером в расчетах, основанных на методе отложенного рендеринга, но и единственная, кто успешно внедряет TBDR решения на рынок. Компании Microsoft также импонировала эта идея, и они пытались воплотить ее в жизнь, но потом забросили в своем проекте Talisman. Gigapixel - компания занимавшаяся разработкой систем на основе отложенных вычислений, была в свое время приобретена компанией 3dfx, которая в свою очередь, была впоследствии приобретена компанией NVIDIA. Nvidia же в настоящее время не имеет официальных планов по развитию графических систем на основе отложенного рендеринга.

Intel использует аналогичную концепцию в своих интегрированных графических решениях. Тем не менее, их метод, “coined zone” рендеринга (основывается на принципе удаления скрытых поверхностей (HSR) и отложенного текстурирования), хоть и имеет свои преимущества, в конечном счете, все равно тратит скорость заполнения текстур и пропускной способности на пиксели, которые не видны в конечном изображении.

Отмечу, что одним из достижений в области иерархической Z-буферизации, можно назвать то, что были эффективно учтены идеи, которые ранее применялись только к методу отложенного рендеринга, включая и идею о том, чтобы иметь возможность разделить сцену на плитку и потенциально всегда иметь возможность принять или отклонить плитки, как части полигона.

Сегодня, PowerVR програмно и аппаратно поддерживает практически все современные методы: кодирование/декодирования видео, аппаратную обработку изображений, Direct X, OpenGL ES, OpenVG и OpenCL.

В завершении статьи, хочу подвести итог. Я думаю, читатель согласиться, что компании PowerVR пришлось пройти длинный и тяжелый путь, до того момента, пока PowerVR не заняли достойную их нишу мобильной графики. Хочу посоветовать читателю, при выборе смартфона или планшета, не только интересоваться названием встроенного в SoC систему видео-ядра, но и уточнять количество этих ядер, а также тактовые частоты, на которых они работают. Ну, а чтобы не сильно заморачиваться и не перегружать голову информацией, вы всегда сможете воспользоваться нашей таблицей с Рейтингом ARM процессоров. С ее помощью вы всегда сможете произвести, к примеру, сравнение PowerVR SGX 544MP с любой другой мобильной видеокартой на другом SoC решении.