Arm Immortalis-G715: Análise Detalhada, Gráficos com Ray Tracing para Dispositivos Móveis

Junto com suas CPUs de próxima geração , a Arm revelou seus mais recentes núcleos gráficos que podem alimentar smartphones e outros gadgets em 2023 e além. Tecnicamente, haverá três opções de GPU nesta geração: o Immortalis-G715, o Mali-G715 regular sem ray tracing e uma configuração Mali-G615 de nível intermediário.

A manchete deste ano é a introdução do suporte ao ray tracing de hardware . que se enquadra na nova marca Immortalis da Arm. Arm também apregoa um ganho de desempenho de processo ISO de 15% para todas as suas GPUs mais recentes, junto com uma melhoria de aprendizado de máquina 2x e eficiência energética 15% melhor em relação ao Mali-G710 da geração anterior.

Conversamos com os especialistas gráficos da Arm durante o Client Tech Day anual da empresa para saber mais sobre exatamente o que há de novo e o que esperar dos próximos smartphones.

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Visão geral da arquitetura Valhall de 4ª geração

As GPUs mais recentes da Arm são a quarta geração de sua arquitetura gráfica Valhall, que substituiu o Bifrost pelo Mali-G77 de 2019. Em sua essência, Immortalis-G715, Mali-G715 e Mali-G615 compartilham o mesmo DNA gráfico. Há um mecanismo de execução renovado, que abordaremos em breve, junto com suporte para Variable Rate Shading (VRS). 

O VRS pode aumentar o desempenho em até 40% ao desacoplar as frequências de rasterização e sombreamento. O Variable Rate Shading já é suportado em alguns jogos para celular há algum tempo, e o Arm agora está alcançando a paridade de recursos com as GPUs Adreno da Qualcomm aqui.

Além do suporte para ray tracing, a única diferença real entre essas GPUs é a contagem de núcleos suportada e as configurações de memória. Portanto, espere ver o Immortalis nos principais SoCs e o G715 e G615 em pontos de desempenho ligeiramente inferiores. A tabela abaixo oferece uma visão geral de como as configurações se comparam.

Armar GPUs Valhall de 4ª geração	Imortal-G715	Mali-G715	Mali-G615
Rastreamento de raio de hardware?	Sim	No	No
Sombreamento de taxa variável?	Sim	Sim	Sim
Evolução do motor de execução	Sim	Sim	Sim
Contagem de núcleos de shaders	10-16 cores	7-9 cores	1-6 cores
Fatias de cache L2(até 1.024 KB)	2 ou 4	2 ou 4	1, 2 ou 4

Voltemos ao mecanismo de execução renovado, que Arm chama de Execution Engine Evolution. Além de suportar Variable Rate Shading, há um bloco fundido de multiplicação e adição (FMA) ajustado. Agora há o dobro do número de unidades FMA em cada núcleo, juntamente com um bloco dedicado de multiplicação e acumulação (MMUL) dentro de cada FMA. Isso permitiu que a Arm dobrasse o poder máximo de computação, especialmente para cargas de trabalho de aprendizado de máquina (machine learning) , enquanto aumentava o tamanho da área do núcleo em apenas 27%. Ainda existem dois clusters de datapath por mecanismo, ou seja, quatro unidades FMA por núcleo.

Arm fez outras melhorias no núcleo mais amplo do shader. Há 3x de rendimento de pico de triângulo no Tiler para jogos de alta geometria, 2x de rendimento de liquidificador FP16, novo hardware FP16 para anti-aliasing de múltiplas amostras e 2x de velocidade de mapeador de textura para casos de nível de detalhe. Arm Fixed Rate Compression (AFRC) aparece pela primeira vez no nível premium, tendo sido anteriormente incluído em núcleos de baixo custo que normalmente têm largura de banda de memória mais limitada. Agora também existe um hash L2 programável por software (resolução de 32K x 32K), oferecendo maior flexibilidade na escolha do algoritmo de hash para desenvolvedores.

Tudo isso é uma questão de otimizar o núcleo gráfico para cargas de trabalho do mundo real, permitindo à Arm extrair ainda mais desempenho e eficiência de sua arquitetura Valhal, pelo menos no que diz respeito aos núcleos premium do Mali.

Ray tracing de hardware para telefones principais

A tecnologia de rastreamento de raio tem sido, até agora, a joia da coroa no espaço gráfico de PC e console, mas pela primeira vez, agora também temos suporte dedicado ao rastreamento de raio de hardware na GPU móvel da Arm. Com suporte da API Vulkan ray tracing, o Immortalis-G715 da Arm se junta ao Xclipse da AMD dentro do Exynos 2200 da Samsung como GPUs móveis com capacidade de ray tracing. Dito isso, o suporte ao ray tracing também pode ser tecnicamente adicionado ao G715 e G615 regulares, se os parceiros da Arm desejarem, embora seja improvável que suas contagens de núcleos menores produzam uma boa experiência de ray tracing.Como funciona o rastreamento de raio?

A renderização de rastreamento de raio simula iluminação e reflexos realistas, traçando o caminho da luz através de uma cena. Isso é feito lançando raios do ponto de vista da câmera e calculando onde os raios cruzam a geometria (triângulos) e as fontes de luz na cena.

A projeção de raios e o cálculo de interseções são tarefas computacionalmente caras, especialmente em altas resoluções. Para acelerar isso, as GPUs utilizam hardware dedicado para acelerar esses cálculos. Existem várias formas de aceleração e otimização, dependendo da complexidade do ray tracing necessária. Isso resulta em diferentes capacidades de desempenho, potência e renderização entre GPUs.

O Immortalis-G715 da Arm junta-se ao Xclipse da AMD dentro do Exynos 2200 da Samsung como GPUs móveis com capacidade de rastreamento de raios.

A Unidade Ray Tracing (RTU) da Arm é um extra opcional integrado diretamente no núcleo do shader, em vez de um acelerador externo, o que significa que o desempenho aumenta à medida que a contagem de núcleos aumenta. A pequena RTU ocupa menos de 4% do núcleo do shader, mas oferece desempenho de traçado de raio 300% melhor, de acordo com os benchmarks da Arm, do que funcionar sem aceleração de hardware. A RTU contém unidades de aceleração dedicadas para detecção de caixas delimitadoras de caixas e triângulos, acelerando bastante o tempo necessário para realizar esses cálculos em comparação com a unidade FMA padrão.

Fornecido pela Arm

É importante notar que existem vários graus de suporte ao ray tracing. A implementação do Arm não chega ao ponto de acelerar o processamento Bounding Volume Hierarchical (BVH), tornando-o uma implementação de ray tracing mais cara do ponto de vista computacional em comparação com o suporte visto em consoles de jogos, mas com área e custo de energia menores. Como tal, não devemos esperar complexidade visual ou taxas de quadros próximas às do espaço de última geração, embora isso sempre tenha sido esperado, dadas as restrições de potência, desempenho e área dos gráficos móveis versus desktop.

Arm, como outras implementações, usa um método híbrido de rasterização e rastreamento de raio. Como tal, espere melhorias mais modestas na luz, sombra e reflexos que podem beneficiar do uso de raios, em vez de uma grande revisão na fidelidade gráfica.

Conclusões do Immortal-G715

Robert Triggs / Autoridade Android

Immortalis-G715 e ray tracing, direcionados aos principais chips móveis da próxima geração, são claramente o grande ponto de discussão desta geração. No entanto, há muitas melhorias gerais indiscutivelmente mais importantes aqui também, como eficiência 15% melhor (sem incluir ganhos de futuros nós de fabricação menores), suporte de sombreamento de taxa variável e uma variedade de ajustes finos para atender às cargas de trabalho do mundo real. – uma bênção para os jogos móveis de hoje, não apenas para os da próxima geração. No entanto, teremos que ver se isso é suficiente para alcançar os líderes de mercado no departamento de taxa de quadros.

Por melhor que seja o hardware de rastreamento de raios, ainda há uma grande questão do ecossistema a ser respondida. Mesmo que MediaTek, Samsung, Google e outros SoCs exibam hardware de rastreamento de raios em 2023, o ecossistema de software provavelmente estará esperando que grandes players, Apple e Qualcomm, também tomem uma atitude. Mesmo assim, ainda não está claro com que rapidez o ray tracing se popularizará, visto que os desenvolvedores de jogos desejam atingir a maior gama possível de consumidores, em vez de apenas os telefones mais recentes.

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Ainda assim, pelo menos o pintinho saiu do ovo, e o suporte de hardware torna possíveis jogos com suporte para ray tracing. Arm espera ver os primeiros títulos de suporte aparecerem junto com a chegada dos chipsets Immortalis, que deve ocorrer no início de 2023.