更精彩的視界深入了解ARM Mail—G51和Mail—V61

李實(shí)

最近本刊連續(xù)介紹7ARM家族的多款產(chǎn)品，包括最新的Cortex-A73架構(gòu)和全新的Mali-G71。不過，這類產(chǎn)品都是面向高性能和頂級用戶的，對入門級用戶和主流用戶來說，ARM又有怎樣的新產(chǎn)品呢？今天，我們就向大家介紹ARM面向入門級和主流用戶的產(chǎn)品——Mali-G51。除此之外，ARM在發(fā)布Mali-G51的同時也更新了視頻處理器，這個型號為Mali-V61的全新視頻處理器又有哪些特性呢？同樣，本文也將為你帶來它的最新信息。

在之前的文章中，我們介紹過ARM已經(jīng)推出的Bifrest家族GPU的架構(gòu)設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的產(chǎn)品Mali-G71。從架構(gòu)來看，Bifrest的最大變化在于改用了全新的線程級并行。相比之前的指令集并行，線程級并行的優(yōu)勢在于幾乎能夠做到對著色器核心接近100%高效率的應(yīng)用，并且能夠帶來相對于指令集并行能效比方面的顯著優(yōu)勢，這也是Mali-G71推出的最重要原因之一。不過Mali-G71過于龐大，定位也偏重高端領(lǐng)域，對入門級和主流用戶來說有點(diǎn)太“大”。于是經(jīng)過一段時間的研發(fā)后，ARM推出了面向入門級和主流用戶的Mali-G51圖形處理核心。

請注意，本文在這里并沒有說Mali-G51是GPU核心，而只是圖形處理核心。在這里先來澄清一個觀點(diǎn)：和我們一般意義上認(rèn)為Mali-G71這類核心就是GPU有所不同的是，ARM更樂意稱Mali的各個部分為Mali MultimediaSuite，也就是Mali多媒體套件。從產(chǎn)品的角度來說，ARM現(xiàn)在推出的Mali-G系列實(shí)際上只能完成GPU的計(jì)算和渲染部分，圖形顯示和視頻編解碼則由Mali-DP和Mali-V來完成。之所以這樣做，是因?yàn)锳RM作為一個IP提供商，需要為SoC廠商提供不同的搭配方案才能保證它們擁有足夠的商業(yè)靈活性——因?yàn)椴煌瑥S商的需求是完全不一樣的，目標(biāo)客戶更在意的是產(chǎn)品的競爭力，而不是最新的技術(shù)，這就要求IP的靈活搭配。所以ARM允許Mali的各部分在一定的范圍內(nèi)自由進(jìn)行搭配。

另外，ARM在本次更新GPU計(jì)算核心（最受關(guān)注）的同時，還同步更新了Mali的其他部分。比如隨著Mali的計(jì)算核心部分更新之后，ARM又在201 6年中旬更新了一個全新的視頻處理器——代號為“Egil”，產(chǎn)品型號為Mali-V61，替換目前正被廣泛使用的Mali--V550。下面我們就正式開始對Mali-G51和Mali-V61這兩款產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)介紹。

Mali-G51：高效能的入門級產(chǎn)品

一般來說，Mali-G71被認(rèn)為是Mali-T880的繼承者，相對應(yīng)的，Mali-G51就是Mali-T820和Mali-T830的繼承者——后者被用在很多注重性價(jià)比的產(chǎn)品上，比如三星自行設(shè)計(jì)的Exynos 7870，用于主打性價(jià)比的Galaxy A系列手機(jī)。對這類產(chǎn)品而言，性能反而不是其最重要的考量因素，如何在極其有限的空間、成本內(nèi)實(shí)現(xiàn)盡可能高的每平方毫米性能和每美元性能才是最重要的。

從技術(shù)角度來看，Mali-G51的設(shè)計(jì)是很有趣的。它并不是Mali-G71的簡單縮減版本，而是在架構(gòu)上進(jìn)行了全新的調(diào)整以適應(yīng)其所需要針對的市場。目前ARM的Mali-G系列采用不間斷的連續(xù)開發(fā)周期，和桌面GPU先開發(fā)頂級產(chǎn)品再削減規(guī)格推出中低端產(chǎn)品有所不同的是，Mali-G系列的每一款都有可能是正在設(shè)計(jì)中的Mali架構(gòu)產(chǎn)品的分支。這意味著有可能較晚推出的、面向入門級市場的產(chǎn)品反而可能會擁有比較早推出面向頂級市場的產(chǎn)品更多的功能。

這一點(diǎn)在Mali-G51上表現(xiàn)得非常明顯。相比較早之前推出的Mali-G71，Mali-G51的最大變化在于每個核心鐘ALU、紋理單元和像素單元之間的配比情況。簡而言之，Mali-G51從之前Mali-G71的“單像素”設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)成了“雙像素”設(shè)計(jì)。從架構(gòu)角度來看，Mali-G71的每個著色器核心在執(zhí)行24FLOPs（12個FMA操作時），其紋理單元和混和單元可以處理1個紋理數(shù)據(jù)和1個像素?cái)?shù)據(jù)。相比之下，Mali-G51在相同的操作時可以處理2個紋理和2個像素?cái)?shù)據(jù)。與此類似的事情發(fā)生在Midgard時代，ARM在高端GPU上調(diào)整了ALU的數(shù)量，這是因?yàn)閷Ω呒増D形效果而言，著色計(jì)算的需求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出像素計(jì)算的，因此更多的ALU能夠加強(qiáng)計(jì)算能力，更快速完成處理操作。對入門級SoC應(yīng)用更多的UI操作等輕工作負(fù)載而言，像素計(jì)算重要性更高。

雖然雙像素核心是Mali-G51的最大變化，但并不是唯一變化。由于Mali-G51使用的是最新的Bifrost架構(gòu)，還帶來了一些架構(gòu)上的細(xì)微調(diào)整。比如加入了全新的指令幀緩沖壓縮技術(shù)得到了改進(jìn)，AFBC版本升級到了1.2版并進(jìn)行了一些優(yōu)化，更高的存儲效率，對恒定色塊的一些技術(shù)改進(jìn)等。

總而言之，ARM宣稱Mali-G51相比之前的Mali-T830帶來了性能、密度和能量效率等多方面的顯著改進(jìn)，在相同的節(jié)點(diǎn)和條件下，Mali-G51比Mali-T830面積小了30%，每平方毫米性能提高了60%，每瓦特性能也提高了60%?？紤]到Mali-G51的面積、效能以及市場目標(biāo)，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)果是非常令人滿意的。

不僅如此，ARM還宣稱Mali-G51對如今火熱的VR能提供出色的使用體驗(yàn)和性能，對一些簡單負(fù)載的應(yīng)用來說，Mali-G51或許已經(jīng)足夠。上市方面，Mali-G51應(yīng)該在2018年才會出現(xiàn)在終端設(shè)備中，到時候肯定有大量的入門級移動設(shè)備“盯上”這款物美價(jià)廉的核心。

Mali-V61：為10bit時代做準(zhǔn)備

在一般用戶的眼中，視頻單元是一個最容易受到忽視的部分。實(shí)際上對于今天我們正在使用的SoC來說，面對海量的視頻資源和極為復(fù)雜多樣的用戶需求，如果不能對編解碼部分做出很好的處理，就很可能會流失相當(dāng)大一部分用戶。之前ARM就非常重視SoC上的編解碼部分，并于2014年10月推出了名為Mali-V550視頻處理器，用于搭配Mali-T800系列使用，組成完整的圖形處理部分。Mali-V550的優(yōu)點(diǎn)在于引入了基本的HEVC支持，不過不足也是顯而易見的，那就是部分編碼格式在今天看起來不夠齊全。因此如今在Mali-V550的基礎(chǔ)上，ARM又推出了代號為“Egil”的新視頻處理器，商品名為Mali-V61。

所謂視頻處理器，顧名思義它多用在視頻的解碼和編碼中，既然需要支持視頻編解碼（甚至圖像的編解碼），那么支持的規(guī)格就要盡可能的豐富。這一點(diǎn)Mali-V61絕對夠格，它支持HEVC Main 10 High Tier、HEVC Lite、VP9、H.264、H.263、MPEG 4、MPEG 2、VC1、Real 8/9/10、JPEG等門乎目前所有主流的視頻和圖像編解碼技術(shù)。當(dāng)然，除了HEVE和VP9外，其余的編解碼技術(shù)都很成熟了，下面本文重點(diǎn)說說HEVC和VP9。

在HEVC的編碼方面，前一代Mali-V550B經(jīng)實(shí)現(xiàn)了HEVE的基本功能支持，而Mali-V61則在此基礎(chǔ)之上做出了進(jìn)一步加強(qiáng)。比如可以支持HEVC Lite，這種編碼器相比H.264實(shí)際上改善的地方非常有限，且缺少對HEVE B幀的支持，畫質(zhì)和壓縮水平?jīng)]有完整的HEVC編碼器那樣有顯著優(yōu)勢。因此，Mali-V61在HEVE上進(jìn)行了徹底的加強(qiáng)，使其可以提供對HEVE完整編碼的支持。更值得一提的是，Mali-V61不但能夠支持傳統(tǒng)8bit的HEVC編碼，還可以提供對Main10配置文件的10bit支持。解碼方面，Mali-V550對于HEVE的解碼就支持得很不錯，到了Mali-V61上自然也一并集成了。

除了HEVC之外，VP9的應(yīng)用也非常廣泛。Mali-V550并不支持它，而在Mali-V61上則開始全面支持VP9的編解碼，雖然目前VP9應(yīng)用還不夠多，但是考慮到谷歌對其支持不遺余力，并且VP9不收費(fèi)——HEVE可是要收專利費(fèi)的，這對很多個人和小型組織來說可不是那么友好，因此在未來網(wǎng)絡(luò)視頻和共享視頻等將有可能大規(guī)模采用VP9壓縮算法。Mali-V61目前可以提供對VP9 Profile 0（8bit）和Profile 2（10bit）的支持，同時支持編碼和解碼，功能一次性到位。

除了支持上述重要的新一代視頻壓縮編解碼算法外，ARM還特別提到了Mali-V61對VP9的參考幀縮放功能的編碼支持。所謂參考幀縮放功能，是指VP9在發(fā)現(xiàn)參考幀和當(dāng)前幀尺寸不一致時，可以使用縮放因子進(jìn)行縮放，再進(jìn)行亞像素內(nèi)插值等操作。參考幀是利用前后畫面（幀）的差值進(jìn)行編碼的技術(shù)，應(yīng)用得當(dāng)可以大幅度提升視頻壓縮比。比如VP9可以在8個已存儲的參考幀中動態(tài)選擇其中3個進(jìn)行幀間預(yù)測和對比。一般來說，參考幀縮放往往需要較高性能、功耗的模塊才能完成，Mali-V61的優(yōu)勢在于在低功耗硬件編碼器中實(shí)現(xiàn)了這個功能，值得贊賞。

除了上述功能之外，Mali-V61從應(yīng)用角度來看可以配置最多八個核心，實(shí)現(xiàn)Mali-V61MP8的方案，最少可以使用一個Mali-V61核心來實(shí)現(xiàn)基本的視頻編解碼功能。功耗方面，ARM表示TSMC 16nm FinFET工藝下800MHz的Mali-V61單核就可以滿足1080p@80fp s的編解碼，如果使用Mali-V61MP6的話，能夠?qū)崿F(xiàn)4K@120fps的編解碼。因此一般來說，Mali-V61在移動設(shè)備上使用單核就夠了1只有對4K電視機(jī)、4K高速攝影機(jī)等設(shè)備來說，120Hz的4K編解碼能力才是必須的。當(dāng)然，其中需要考慮功耗、性能的平衡，這就需要廠商根據(jù)用途仔細(xì)衡量70最后在商業(yè)化方面，和之前介紹的Mali-G51一樣，Mali-V61商業(yè)化的速度也不會太快，大概在2018年左右到來，考慮到超清視頻的市場爆發(fā)情況，這個速度也算相當(dāng)不錯了。

寫在最后

縱觀此次ARM公布的兩款新品，其中的Mali-G51是面向入門級和主流用戶，它依靠非常出色的能耗比和較小的面積，肯定會得到諸多廠商的青睞，相信也將是未來常見的入門級移動產(chǎn)品的主要圖形處理核心。Mali-V61的定位和Mali-G51則完全不同，它是為下一代4K高清時代應(yīng)用而準(zhǔn)備的產(chǎn)品，本身設(shè)計(jì)和功能都足夠強(qiáng)大，顯然將成為市場主流，肯定有廠商用Mali-V61搭配Mali-G71來使用，以支持更多的解碼格式，進(jìn)一步提升SoC的性能和功能。這樣一來，Mali-G51和Mali-V61，憑借出色的設(shè)計(jì)、強(qiáng)悍的功能以及一出生就合著金鑰匙的特殊地位，獲得成功只是時間問題罷了。