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嵌入式 GPU 的圖形加速技術(shù)解析 時間:2025-06-06      來源:華清遠見

1.概述

1.1圖像處理算法原理

2D圖像是由一個一個像素值表達而來,每個像素由一個具體的數(shù)字代表其顏色亮度等信息。而3D模型通常由頂點(Vertex) 組成,而紋理(Texture) 是一個 2D 圖像。所以圖像相關(guān)算法本質(zhì)都是對矩陣類的數(shù)據(jù)進行運算。

例如:通過卷積對圖像進行去噪

1.2 GPU加速

在計算機沒有GPU之前,所有的算法都是通過CPU來進行的,由于硬件結(jié)構(gòu)的特殊性,只能順序?qū)?shù)據(jù)進行處理。而圖像類矩陣樣式的數(shù)據(jù),是很適合分區(qū)、并行的處理方式的,GPU為此而生。

2.嵌入式GPU 的圖形加速技術(shù)

任何嵌入式硬件設(shè)計都遵循:可移動、低功耗、高集成、低成本……

2.1 硬件技術(shù)

1.架構(gòu)設(shè)計

l 可擴展性:現(xiàn)代嵌入式GPU通常采用模塊化設(shè)計,支持從低功耗到高性能的不同配置,以適應(yīng)各種應(yīng)用場景的需求。

l 多核架構(gòu):為了提高并行處理能力和效率,嵌入式GPU常采用多核架構(gòu),每個核心可以獨立執(zhí)行任務(wù)或協(xié)同工作。

l 統(tǒng)一著色器架構(gòu):這種架構(gòu)允許頂點著色器、像素著色器等使用相同的資源池,提高了資源利用率。

2. 性能優(yōu)化

l 高帶寬內(nèi)存(HBM):通過堆疊DRAM芯片來增加內(nèi)存帶寬,減少延遲,從而提升性能。

l 深度學(xué)習(xí)加速:一些嵌入式GPU集成了專門的硬件單元來加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算,如NVIDIA的Tensor Core。

l 高效的渲染管線:優(yōu)化了渲染管線的設(shè)計,減少了不必要的計算步驟,提升了整體效率。

3. 功耗管理

l 動態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS):根據(jù)當(dāng)前的工作負載自動調(diào)整GPU的工作頻率和電壓,以達到節(jié)能的目的。

l 智能電源管理:利用先進的算法預(yù)測未來的負載情況,并提前調(diào)整電源狀態(tài),確保在滿足性能要求的同時最小化能耗。

l 低功耗模式:當(dāng)設(shè)備不活躍時,GPU可以進入低功耗甚至完全關(guān)閉的狀態(tài),進一步節(jié)省電量。

4. 集成與兼容性

l 與CPU和其他處理器的緊密集成:為了實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)交換和協(xié)作處理,嵌入式GPU往往與CPU以及其他專用處理器(如DSP)緊密集成。

2.2 軟件技術(shù)

GPU畢竟是硬件,一定要由與之相匹配的設(shè)備驅(qū)動和開發(fā)框架才能建立必要的開發(fā)生態(tài)。不像桌面PC或是大型服務(wù)器一般被英偉達CUDA一家獨大,嵌入式無論是硬件還是軟件框架都有著非常靈活的業(yè)務(wù)針對性(特色),遵循小而專。當(dāng)然盡量兼容桌面版圖形API是各廠家的追求,但限于硬件算力重新設(shè)計也是一種不得已的選擇。

l OpenGL ES (Embedded-System Graphics):是一種為嵌入式系統(tǒng)和移動設(shè)備優(yōu)化的圖形API。它提供了類似于桌面版OpenGL的功能,但針對資源受限的環(huán)境進行了優(yōu)化。OpenGL ES支持多種編程語言,包括C和C++,廣泛應(yīng)用于移動游戲開發(fā)和嵌入式設(shè)備。

l Vulkan:是一個現(xiàn)代的、面向高性能計算的跨平臺圖形和計算API。它旨在提供對硬件的直接控制,以實現(xiàn)高效率的圖形和計算任務(wù)。Vulkan特別適用于嵌入式系統(tǒng),因為它允許開發(fā)者優(yōu)化資源使用和實現(xiàn)低延遲渲染。

l DirectX:雖然DirectX主要與Windows平臺相關(guān)聯(lián),但它的某些版本(如DirectX 11和12)也可以在支持的設(shè)備上運行,包括一些嵌入式系統(tǒng)。DirectX提供了豐富的API來支持3D圖形、音頻和視頻處理,適用于需要高性能圖形處理的應(yīng)用。

l Metal (iOS/macOS)是蘋果公司為iOS和macOS開發(fā)的一個低級、高性能的圖形API。雖然它主要用于蘋果的操作系統(tǒng),但通過跨平臺工具(如MoltenVK),它也可以在支持Metal的設(shè)備上運行。這對于需要在蘋果設(shè)備上實現(xiàn)高級圖形處理的嵌入式系統(tǒng)尤為重要。

l OpenCL:是一個用于異構(gòu)并行編程的框架,它支持多種類型的處理器,包括GPU。雖然OpenCL最初是為通用計算設(shè)計的,但它也可以用來加速圖形渲染任務(wù)。在嵌入式系統(tǒng)中,OpenCL可以用于優(yōu)化圖形處理的計算密集型部分。

l WebGPU:是一個為Web瀏覽器設(shè)計的圖形API,旨在提供與桌面和移動設(shè)備上使用的類似性能的GPU訪問。隨著Web技術(shù)的進步,WebGPU有可能在未來的嵌入式系統(tǒng)中通過瀏覽器實現(xiàn)高性能的圖形處理。

3.總結(jié)

嵌入式 GPU 的圖形加速技術(shù)研發(fā)的目的是讓圖像處理、AI機器學(xué)習(xí)和推理都能部署在端點設(shè)備之上(邊緣計算),以避免依賴云計算帶來的時延,甚至是通信中斷問題。當(dāng)然鑒于嵌入式設(shè)備在硬件設(shè)計理念上無法脫離低功耗、低成本等現(xiàn)實問題,最終僅僅也只能一定程度上實現(xiàn)必要的計算“加速“。

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