今年是Imagination PowerVR架构诞生30周年。借此契机，我们不妨一同回顾PowerVR这30年的发展历程——从图形加速卡群雄逐鹿的黄金时代，到移动GPU领域的低功耗传奇，再到如今光线追踪的全新战场。从中也能一窥GPU技术的演进脉络。特别是Imagination引以为傲的TBDR（分块延迟渲染）架构，从诞生到持续迭代，再到应用于移动平台的Photon光追架构，堪称GPU史上独树一帜的技术流派。本系列文章将分为上下两篇：上篇简要回顾PowerVR三十年来的发展足迹，下篇则从技术角度深入剖析TBDR架构。

游戏机，PowerVR声名鹊起的最初

如今大多数朋友了解Imagination PowerVR，主要是因其在移动市场的出色表现。不过，作为一家成立于80年代的企业，Imagination成立后不久，图形技术与市场便开始飞速发展。最初，VideoLogic在图形处理、声音加速、家庭音频系统、视频采集、视频会议系统等多个领域均有涉及。然而1992年，公司启动了一个新项目，即后来的PowerVR。Simon Fenney也是在这一时期加入公司。他在博客中提到，1992年公司启动了一个名为Trident Project的项目。根据Simon的回忆，Martin Ashton、Tony McClaren与他三人共同促成了如今PowerVR GPU TBDR架构的雏形。

第一代设备（从1992-1993年的原型到1995年左右推出的PCX1和PCX2）使用较低层级的基元（primitive），即无限平面（infinite plane）进行物体建模。Imagination在采访中解释：“尽管无限平面基元的效率或许不错，但问题在于业界仅使用三角形（或四边形）。”因此，“第二代设备ARC1、CLX2（用于世嘉Dreamcast）和‘Neon 250’开始采用三角形渲染。”……“后续几代产品增加了着色器（shader），并可在移动设备上实现硬件图形处理。但所有这些产品的共同之处在于底层的TBDR技术。”

初期的FPGA原型板，被Imagination称为首款基于TBDR的板卡。该板曾在SIGGRAPH 93上亮相。不过Simon表示，当初带着这块板四处推广的过程并不顺利，花费了大量精力才有机会向潜在客户演示。起初团队将产品定位于当时火热的街机系统。VideoLogic选择与NEC合作，最初便涉及技术授权。PowerVR Series 1的目标市场正是街机系统。在原型产品Midas 1和2之后，真正上市的是Midas 3。据资料显示，Midas 3至少包含ISP（Image Synthesis Processor）和TSP（Texture and Shading Processor）以及一颗桥接芯片。ISP可弹性扩展，街机可配备2-4个ISP。由此可见，当年的图形加速卡与如今的GPU存在很大差异。Midas 3也应用于PC设备，出现在当时康柏（Compaq）的机器中。

Imagination提到的PCX1实际上就是Midas 4：基本将3颗Midas 3芯片集成到一颗芯片中（如图），采用0.5μm工艺，PCI接口、64bit 4MB显存、核心频率60MHz。据说当时康柏希望仅用1MB或2MB的RAM，而VideoLogic则努力说服康柏4MB才是PCX1的最佳搭配。后续的PCX2工艺升级到0.35μm；新增双线性过滤（bilinear filtering），简化了驱动工作，核心频率进一步提升。据说采用PCX2芯片的Apocalypse 3DX显卡在性能上超越了当时的Voodoo。有报道称PowerVR Series 1的市场份额曾一度仅次于3dfx Voodoo。

真正让PowerVR早期名声大噪的，恐怕是PowerVR Series 2进入世嘉Dreamcast游戏机（这段历史还涉及3dfx、英伟达的恩怨纠葛，有兴趣的朋友不妨深入了解）——即土星机的后继机型，于1998年底发布；同期PowerVR Series 2也进入世嘉Naomi街机。这一代产品同样与NEC合作。凭借此产品，到1999年NEC仅向世嘉出货的PowerVR Series 2芯片就超过100万颗。根据可查资料，DC游戏机的出货量超过1000万台。

改名Imagination，与移动设备图形计算现代化

对早期的VideoLogic而言，1999年PowerVR还迎来了ST（意法半导体）这一大客户，当时ST面向PC的图形与视频加速卡采用了Imagination的PowerVR Series 3，代号Kryo。这一代产品支持DX6、EMBM（环境凹凸映射），但并未支持当时兴起的硬件T&L（坐标变换、裁剪与光照）。值得一提的是，得益于TBDR架构，Kyro的核心面积很小、发热低，所用晶体管数量远少于同期竞品。另外，这一年的大事是公司正式更名为Imagination Technologies：不仅改名，策略上也转向专注于IP授权方向。据Imagination的说法，目的是在街机、家用游戏主机、PC等市场之外持续拓展，因此选择将精力集中到IP授权业务。

Imagination与ST同类型产品的合作持续了好几年。2001年的Kyro II在欧洲市场一度被称为MX400杀手。但PowerVR直到计划中的Kyro III，即基于PowerVR Series 4的显卡，才正式加入硬件T&L支持；然而此时ST已决定关闭图形业务，Kyro III未能正式问世。同期桌面显卡混战局面宣告结束。不过在此期间——2001年之后，Imagination在移动、汽车和医疗市场开始取得进展。PowerVR在移动图形市场大获成功的产品是PowerVR MBX；MBX以及后续的SGX（Series 5）让Imagination在移动市场全面开花。这两款架构授权给了包括Intel、德州仪器、三星、NEC、NXP、Freescale、瑞萨、Sunplus在内的多家市场巨头。

回顾进入移动市场之初，Imagination（90年代后期）认为当时移动设备的图形处理能力非常薄弱，PowerVR凭借低功耗设计必能在移动视觉应用中掀起新浪潮。PowerVR MBX除了TBDR架构外，还采用了如今许多人熟知的PVRTC纹理压缩技术——如今类似技术已司空见惯，但在当时具有开创性。实际上，在图形管线的数据压缩方面，此前文章也提到过Imagination当前的技术方案。作为节约带宽、提升效率的重要技术组成，Imagination还将渲染过程中几乎所有数据都进行了压缩。这其中除了PVRTC纹理压缩（还有ASTC等）以外，还包括图像压缩IMGIC（接替了此前的PVRIC）和几何压缩PVRGC。当然这是后话，尤其是IMGIC是近代架构更新中才引入的。

2005年PowerVR SGX架构问世，首个SGX核心面向主流、高性能移动图形计算，特性方面全面满足OpenGL ES 2.0 shader需求；这一代产品还引入了PowerVR视频编解码IP。于是这一时期前后，Imagination GPU相继出现在苹果iPhone、诺基亚N96、索爱P1、摩托罗拉刀锋等明星手机产品中。此外，对Imagination而言颇具标志性意义的事件是，2012年SGX架构（Series 5XT）进驻索尼游戏掌机PS Vita——这是阔别多年后重返游戏机市场，Imagination对此津津乐道。另外，2007年iPhone开始采用PowerVR架构GPU，不仅对Imagination，对整个移动图形技术市场都具有重要价值——开发者生态自此大规模建立，手机上的3D游戏逐步崛起。与此同时，2014年SGX架构中的Series 5XE开始向更低功耗产品延伸，包括可穿戴、IoT和嵌入式应用，甚至涉及打印机等企业级设备。

移动设备GPU技术真正走入大众视野，而不仅限于一小撮工程师群体，始于2014年Imagination主动联系媒体，透露了PowerVR Rogue架构的部分技术细节。虽然大部分内容未详细阐述，但这让普通大众首次了解到移动GPU架构的真实面貌。当时Imagination愿意公开这些资料，也是因为移动GPU陷入“核心数”竞争的怪圈，而PowerVR的GPU架构决定了其在核心数方面不占优势，因此需要向市场科普GPU“核心”的真正含义。不过不可否认的是，从Imagination这一市场动作开始，其他移动GPU竞争对手也纷纷以更开放的姿态公布各自的架构技术与特性。从PowerVR Rogue（即Series 6，包括后续的Series 7及部分Series 8/9）开始，业界开始注意到PowerVR相较同期其他移动领域竞争对手领先几个身位的性能与能效表现。这一时期正值iPhone 6热销，加上iPad Air 2的图形性能，PowerVR Rogue令不少人惊艳。似乎从这一代产品开始，架构集成了PVR3C三重压缩的系统级优化。

后续PowerVR Furian架构发布，继续提升性能与性能密度。值得一提的是，PowerVR GPU同期开始将触角延伸至图形渲染之外——这也是当代GPU厂商的普遍路径。PowerVR同期借助对OpenCL、Renderscript、Filterscript等的支持，在计算机视觉和AI领域发挥作用。根据Imagination提供的数据，2001年采用其PowerVR的产品出货量超过1500万；到2008年消费产品出货量突破1亿；2010年这一数字达到约2.5亿；2013年跨过10亿大关。2017年Imagination回顾PowerVR架构25周年时提到，PowerVR产品出货量突破40亿，市场覆盖电视、流媒体设备、手机、平板、手表、VR、汽车、游戏、Chromebook等。

进入另一个纪元的PowerVR

从Imagination的角度看，自公司80年代成立至Furian架构发布，公司层面的操作十分多样，仅技术相关的收购就包括Ensigma、Cross Products Limited、HelloSoft、Caustic Graphics等。此外在股权结构上，东家们也频繁更替，例如NEC曾一度持有Imagination 3.5%的股份；Intel在2006年左右获得约2.9%的股份，2009年最高持有股份达16.02%；2008年苹果买下约3.6%的股份……这些企业或多或少与PowerVR架构的发展有关，但并非本文重点。

2017年9月，私募基金凯桥资本（Canyon Bridge）宣布收购Imagination。两个月后交易获批，Imagination从伦敦证券交易所摘牌。Imagination在博文中表示，自此历史翻开新篇章。从技术角度看，PowerVR确实在此之后续写了全新架构。2019年IMG A-Series架构发布，当时我们对其进行了深度剖析。IMG A-Series之后的架构惊人之处在于性能大幅跃升，Imagination称A-Series相比之前的PowerVR Series 9，性能密度最多提升250%。这一代架构重新设计了ALU，还加入了HyperLane虚拟化技术以及AI Synergy。当然不变的传统仍是TBDR。随着A-Series发布及性能密度暴涨，也为Imagination带来了20年来首个桌面级GPU授权客户。而且2020年初，苹果与Imagination再次签署了多年授权协议。这标志着Imagination在企业层面经历一波动荡后的回归。

实际上在A-Series架构发布会上，Imagination就预告了B-Series、C-Series的存在及性能提升预期——当时令人难以置信。但很快Imagination确实发布了IMG B-Series。其中BXT基于多核弹性化设计，性能提升最高达A-Series的4倍。这一时期的重要事件是，Imagination收获了芯动科技（Innosilicon）这一国内知名客户，其IP应用于芯动的Fantasy风华显卡产品线。目前桌面级芯动Fantasy 1风华1号和Fantasy 2风华2号显卡均已供货。Imagination提到该产品系列中的Type-A显卡采用16GB GDDR6x显存、128bit位宽，基于BXT-32-1024提供5 TFLOPS算力；而Type-B采用双芯方案，可达到最多2倍性能。值得一提的是，B-Series还扩展出BXS家族，这是面向汽车的IP产品，具备一些专用特性，如Tile Region Protection；据称这也是首个满足ISO 26262安全标准的GPU IP。

PowerVR近代史上十分重要的事件还包括2021年底发布的IMG C-Series架构。PowerVR Photon光线追踪架构部分应用于C-Series GPU IP上。在IP层面，Imagination在移动平台实现硬件级光追加速方面走得相当超前。其光线追踪技术储备可追溯到2010年Imagination收购Caustic Graphics——这是一家从事软硬件实时光追图形技术的企业。Imagination表示，其原型光追硬件最早于2016年CES展会上对外演示，按照Imagination宣传的RTLS（光追等级系统）分级标准，处于Level 5（Coherent BVH processing with BVH hardware builder）。基于Photon的CXT架构目标等级为Level 4（BVH processing with coherency sort in hardware），并完整支持业界标准的Vulkan RT光线查询和光线管线扩展。可见在规划上，Imagination的硬件光追实现历史较长，性能上仍有潜力，据称其产品可达更高RT等级。我们知道，光线追踪对硬件算力和功耗要求极高，在移动平台盲目追求高性能并不合理。因此PowerVR在设计上特别加入了“coherency sorting”相干性排序：该特性对具有相干性的光线进行排序，例如将同一材质反射的同方向光线分组，可实现更高数据复用率，提升并行ALU管线利用率。Imagination在技术白皮书中称，coherency sorting对光线追踪的价值，相当于TBDR对GPU效率的价值。C-Series中的IMG CXT被Imagination称为目前能效方面最先进的光线追踪解决方案，预计基于该架构的实际芯片产品将于2023年问世。这是一个全新的战场，对所有市场参与者而言都是如此。此外，Imagination透露不久将发布新产品。

实际在2017-2019年前后，Imagination曾多次面临企业层面的动荡。但在新篇章的IMG A-Series发布至今，PowerVR依然以充满活力的方式迎接电子产业与图形世界的未来。Imagination表示，到2022年，公司在汽车HMI图形市场占据超过50%的份额，移动图形市场占比也超过35%。这一成绩对拥有30年历史的PowerVR架构而言实属不易。毕竟几十年的GPU发展史中，许多原有市场参与者已不复存在。本文尚未涉及PowerVR计算机视觉和AI产品线。但在动荡期过后，PowerVR正以全新面貌尝试进驻更多万物互联的市场。本文下篇，我们将着重描绘Imagination长期以来引以为傲的TBDR技术。