嵌入式 GPU 的圖形加速(su)技術解析(xi)
時間：2025-06-06 ;來源：華(hua)清遠見
1.概述
1.1圖像處理算法原理
2D圖像(xiang)是由一(yi)(yi)個一(yi)(yi)個像(xiang)素(su)值表達而來，每個像(xiang)素(su)由一(yi)(yi)個具體(ti)的(de)數字代表其顏色(se)亮度等信息。而3D模型通常由頂點（Vertex） 組(zu)成，而紋理（Texture） 是一(yi)(yi)個 2D 圖像(xiang)。所以圖像(xiang)相關算法本質都是對矩(ju)陣(zhen)類的(de)數據進行(xing)運算。
例如：通過卷積對圖像進行去噪
1.2 GPU加(jia)速
在(zai)計算機沒有GPU之(zhi)前，所有的(de)算法都是通過CPU來(lai)進行的(de)，由(you)于硬件結構的(de)特殊性，只(zhi)能(neng)順序對數據(ju)進行處(chu)理。而圖像(xiang)類矩陣(zhen)樣(yang)式的(de)數據(ju)，是很適合分(fen)區、并行的(de)處(chu)理方(fang)式的(de)，GPU為此而生。
2.嵌入式GPU 的圖形加速技術
任何嵌入(ru)式硬件(jian)設計(ji)都遵循：可移動、低功耗、高集(ji)成、低成本……
2.1 硬件技術
1.架構設計
l 可(ke)擴展性：現(xian)代嵌入式(shi)GPU通(tong)常采用(yong)模(mo)塊化設(she)計，支持(chi)從低功耗到高性能(neng)的不同配置(zhi)，以(yi)適應各種應用(yong)場景的需求。
l 多核(he)架構：為了(le)提高并行處理(li)能(neng)力和效率(lv)，嵌入式GPU常采用多核(he)架構，每個(ge)核(he)心可以(yi)獨立執行任務或協同(tong)工作。
l 統一著色器(qi)架(jia)(jia)構：這種架(jia)(jia)構允(yun)許頂點著色器(qi)、像素著色器(qi)等使用相同的資源池，提高了(le)資源利用率(lv)。
2. 性能(neng)優化
l 高帶寬(kuan)內存（HBM）：通過堆疊DRAM芯(xin)片來增(zeng)加(jia)內存帶寬(kuan)，減少(shao)延遲，從而提(ti)升性能。
l 深度學習加(jia)速：一(yi)些嵌入式GPU集(ji)成了專門的(de)硬(ying)件單元來加(jia)速神經(jing)網絡運(yun)算，如NVIDIA的(de)Tensor Core。
l 高效(xiao)(xiao)的渲染管(guan)線：優化了(le)渲染管(guan)線的設計，減少了(le)不必要(yao)的計算步驟，提升(sheng)了(le)整體效(xiao)(xiao)率。
3. 功耗管理(li)
l 動(dong)態(tai)電(dian)壓(ya)頻(pin)率調(diao)整(zheng)（DVFS）：根(gen)據當前的(de)(de)工(gong)作負(fu)載自動(dong)調(diao)整(zheng)GPU的(de)(de)工(gong)作頻(pin)率和電(dian)壓(ya)，以達到節能的(de)(de)目的(de)(de)。
l 智(zhi)能電源管理：利(li)用先進的(de)算法預測未來的(de)負載(zai)情(qing)況，并提前調(diao)整電源狀態，確保(bao)在(zai)滿足(zu)性能要(yao)求的(de)同時最(zui)小(xiao)化能耗。
l 低(di)功耗(hao)模式(shi)：當設備不活躍時，GPU可(ke)以進入低(di)功耗(hao)甚至完(wan)全關閉的狀態，進一步(bu)節省電量。
4. 集(ji)成與兼容(rong)性
l 與(yu)CPU和其他處(chu)理(li)器的(de)緊(jin)密集(ji)成：為了實現更高效的(de)數據交換和協作(zuo)處(chu)理(li)，嵌入式GPU往(wang)往(wang)與(yu)CPU以及其他專用處(chu)理(li)器（如(ru)DSP）緊(jin)密集(ji)成。
2.2 軟件技術(shu)
GPU畢竟(jing)是(shi)硬(ying)件(jian)，一定要由與(yu)之相(xiang)匹配的設備驅動和開發框架(jia)才能建立必要的開發生態。不(bu)像桌面PC或是(shi)大型(xing)服務(wu)器一般被英偉達CUDA一家(jia)獨大，嵌(qian)入式無(wu)論是(shi)硬(ying)件(jian)還(huan)是(shi)軟件(jian)框架(jia)都有著非常靈活的業(ye)務(wu)針對(dui)性(xing)（特(te)色），遵循小而專。當(dang)然盡量兼容桌面版圖形(xing)API是(shi)各廠家(jia)的追求，但限(xian)于硬(ying)件(jian)算力重新(xin)設計也是(shi)一種不(bu)得已的選(xuan)擇。
l OpenGL ES (Embedded-System Graphics):是(shi)一種(zhong)為(wei)嵌(qian)入(ru)式系統和(he)移動設(she)備(bei)優化(hua)的(de)圖形API。它提供(gong)了類(lei)似于桌面版OpenGL的(de)功能，但針對資源(yuan)受限的(de)環境進行了優化(hua)。OpenGL ES支持多(duo)種(zhong)編程(cheng)語言，包括C和(he)C++，廣泛(fan)應用于移動游(you)戲開(kai)發和(he)嵌(qian)入(ru)式設(she)備(bei)。
l Vulkan:是一個(ge)現代(dai)的(de)、面向高(gao)性能計(ji)算(suan)的(de)跨平臺圖形和(he)計(ji)算(suan)API。它(ta)旨在提供對硬件的(de)直接控制，以實現高(gao)效率的(de)圖形和(he)計(ji)算(suan)任務(wu)。Vulkan特別(bie)適用于嵌入式系統，因為它(ta)允許開發(fa)者優化資源使用和(he)實現低延遲渲染。
l DirectX:雖然DirectX主要(yao)與Windows平臺(tai)相關聯(lian)，但(dan)它的(de)(de)某些版本（如DirectX 11和(he)12）也(ye)可(ke)以在支(zhi)持(chi)(chi)的(de)(de)設(she)備(bei)上運(yun)行(xing)，包括一些嵌入式系統(tong)。DirectX提供了豐富的(de)(de)API來支(zhi)持(chi)(chi)3D圖形(xing)、音頻(pin)和(he)視頻(pin)處理，適用于需要(yao)高性能圖形(xing)處理的(de)(de)應用。
l Metal (iOS/macOS)是蘋果公司為iOS和macOS開發的(de)一個低級(ji)、高性能的(de)圖形API。雖(sui)然它主要(yao)(yao)用于蘋果的(de)操(cao)作系統(tong)，但通過跨平臺工具（如MoltenVK），它也可以在(zai)支持(chi)Metal的(de)設(she)備上運行。這對于需要(yao)(yao)在(zai)蘋果設(she)備上實現(xian)高級(ji)圖形處理的(de)嵌(qian)入式系統(tong)尤為重(zhong)要(yao)(yao)。
l OpenCL:是(shi)一(yi)個(ge)用(yong)于異構(gou)并行編程的(de)(de)框架，它支(zhi)持多種類型的(de)(de)處(chu)理(li)器，包(bao)括(kuo)GPU。雖然OpenCL最(zui)初是(shi)為通(tong)用(yong)計算設(she)計的(de)(de)，但它也可以用(yong)來(lai)加速圖(tu)形(xing)(xing)渲染(ran)任務。在嵌入式系統(tong)中，OpenCL可以用(yong)于優(you)化圖(tu)形(xing)(xing)處(chu)理(li)的(de)(de)計算密集型部分。
l WebGPU:是一個為Web瀏覽器(qi)設計(ji)的圖形API，旨在提(ti)供與桌面和移(yi)動(dong)設備上使(shi)用(yong)的類似性能的GPU訪問。隨著Web技(ji)術的進步，WebGPU有(you)可能在未來的嵌入式系統中通(tong)過瀏覽器(qi)實現高性能的圖形處(chu)理。
3.總結
嵌(qian)入(ru)式 GPU 的(de)圖形加速技術研發的(de)目的(de)是讓(rang)圖像處理、AI機器學習和推理都(dou)能部署在(zai)(zai)端點(dian)設備之上（邊緣(yuan)計算(suan)），以避免依(yi)賴(lai)云(yun)計算(suan)帶(dai)來(lai)的(de)時延，甚至是通信中斷(duan)問(wen)題(ti)。當(dang)然鑒于嵌(qian)入(ru)式設備在(zai)(zai)硬(ying)件設計理念上無(wu)法脫離低功耗(hao)、低成本等現實問(wen)題(ti)，最終僅僅也只(zhi)能一定程度(du)上實現必要的(de)計算(suan)“加速“。
