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可攜式遊戲機玩出新花樣!
隨時玩遊戲 GPU+Android決勝負

【作者: 鍾榮峯】   2010年09月15日 星期三

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可攜式遊戲機的應用分類可分為Game Handheld以及智慧型手機兩種,除此之外還有類似MID的可攜式遊戲機樣式,以能夠運作Android作業架構維主要特徵。目前Game Handheld主要還是以能夠提供殺手級應用遊戲內容的廠商所主導,任天堂(Nintendo)和新力(Sony)仍佔有主導地位。


可攜式遊戲機展現新風貌

在iPhone的帶動下,Game Handheld和智慧型手機遊戲功能的蓬勃發展備受看好。不過相對於一般遊戲機,Game Handheld還算是小眾市場,且多屬於中低價位,而結合遊戲功能的智慧型手機,價格定位較高,智慧型手機也可透過HDMI連接高畫質的電視,讓可攜式遊戲功能也可以在電視上呈現。可攜式遊戲機將更強調連結的功能,也更為著重在數位家庭環境下不同空間的移動性。


智慧型手機的必備功能也隨著市場需求不斷更迭,例如在iPhone影響下,多點觸控螢幕便成為智慧型手機不得不具備的功能,變成沒有多點觸控功能、就不被視為是智慧型手機的發展結果。如果從這個角度來看,可攜式遊戲會不會成為下一波智慧型手機必備的功能選項呢?答案似乎越來越肯定。因為iPhone已經逐漸侵蝕Game Handheld的市佔率,智慧型手機的遊戲功能也越來越被凸顯,其實也是iPhone把智慧型手機遊戲功能的局面打開。


GPU+Android決勝負

因此,智慧型手機也越來越講究圖形處理器(GPU)效能,結合觸控螢幕加上一些運動感測的加速度計和陀螺儀,配合開放式作業環境下、例如Android作業框架底下的遊戲軟體內容,便可以盡興地體驗與玩樂。


所以Game Handheld的發展,就不能以硬體裝置規格來與其他智慧型手機作主要市場區隔,而必須以遊戲引擎和GPU處理架構來強調競爭能力。另外具開放作業架構的Android應用框架,有助於提昇多元化遊戲軟體的嵌入設計,因此Android為基礎的可攜式遊戲機有機會在市場上異軍突起。而開放式的遊戲軟體,就不會是以專屬的作業系統為骨幹,且遊戲內容也將會以虛擬商店的模式作為主流。若要符合可攜式遊戲機的低功耗和高解析畫質的效能,GPU應該要採用多核心架構。



《圖一 遊戲機圖形處理器和IP授權大廠合作關係示意圖》
《圖一 遊戲機圖形處理器和IP授權大廠合作關係示意圖》資料來源:安謀科技(ARM)

GPU處理架構要玩出新花樣

可攜式遊戲機市場主要還是雙雄對決的局面,任天堂和新力挾遊戲內容的優勢,分別繼續主導可攜式遊戲機市場。微軟(Microsoft)雖有意進佔此領域,不過仍處於「只聞樓梯響」的階段,因此何時能看到可攜式Xbox出現,可能還需要一段時日。


目前可攜式遊戲機的多媒體運算環境,各家都有各家的專屬軟硬體設計,任天堂、新力和微軟的遊戲平台不盡相同,遊戲軟體的應用環境也無法相互整合。另一方面,高解析度的遊戲多媒體內容即將成為主流,可攜式遊戲機如何兼顧低功耗和多媒體遊戲視訊品質,GPU運算負載的效能提昇是重要關鍵,此外,降低頻寬資源的負擔也是GPU設計的核心要素。


Game handheld內的GPU繪圖處理架構,特別注重低功耗、頻寬和高解析品質三大要素,隨著市場逐漸要求Game handheld的遊戲內容顯示品質、要和PC等級並駕齊驅時,GPU架構設計的複雜度也會隨之提高。例如當WVGA提升到1080p階段,像素點會增加5.4倍。而GPU很大一部份的耗電量,來自於讀取記憶體時所佔據頻寬需要的功耗量。這時要兼顧效能和功耗的GPU處理架構便相當不易。


雙核或多核GPU架構設計,也可兼顧不同位階的Game handheld的繪圖處理內容。高階Game handheld或智慧型手機的遊戲內容,可採用多核GPU繪圖處理設計,每一個核心可並行處理各個方塊狀的圖形處理內容。若是中低階Game handheld的遊戲應用,則可減少多餘的核心資源,採用單核繪圖處理架構即可。GPU的多核處理架構,也可因應更複雜的高畫質或是3D影像遊戲內容的繪圖需求。


各有分身 遊戲機GPU架構熱鬧滾滾

從GPU晶片角度來看,可提供IP授權處理架構的大廠並不少,包括ARM、IBM、nVIDIA、AMD、Imagination和DMP等等,至於SiP系統封裝晶片大廠還是可能會以Sharp、Sony、Toshiba和NEC為主。IP廠商將應用在可攜式遊戲機的GPU核心架構授權給SiP晶片大廠,讓晶片大廠生產製造可攜式遊戲機的圖形處理晶片。因此在可攜式遊戲機部份,Sharp、Sony、Toshiba仍會佔有主導地位。


一般遊戲機GPU架構三分天下

在一般遊戲機領域,是任天堂、新力和微軟三分天下的局面。從GPU的IP架構來看,IBM直接提供PowerPC架構和圖形處理晶片給任天堂、新力和微軟。至於新力的遊戲機晶片除了採用IBM的PowerPC架構之外,新力也與Toshiba合作製造圖形晶片產品,並採用nVIDIA的GPU授權架構RSX和Imagination的IP 授權,採非對稱核心設計。微軟的遊戲機處理器除了IBM架構外,GPU也採用NEC的圖形晶片和AMD旗下ATI的IP授權,並成為北橋晶片組主要內容,而南橋晶片組則是由矽統(SiS)負責。


任天堂的Wii遊戲機所採用的Broadway處理器,效能在726MHz左右,是作為輔助處理的MPU(Microprocessor Unit)角色,GPU架構還是以ATI授權架構為主;新力代表性的PlayStation 3遊戲機內的cell處理器,效能定在3.2GHz,但更可達4.6GHz。至於微軟的Xbox 360的Xenon處理器,效能也可達3.2GHz,採用的是獨特三核架構的設計。


暗潮洶湧 可攜式GPU各方角力

任天堂GPU以ARM架構為核心

任天堂可攜式遊戲機的GPU圖形處理器架構,則是以ARM的Mali架構為主,市佔率也隨之水漲船高,目前估計有65%左右。預計到2013年,ARM在整體可攜式遊戲機的IP授權市佔率,可以達到99%。這表示ARM除了繼續穩固與任天堂在可攜式遊戲機的緊密合作外,也將進一步開拓與新力在可攜式遊戲機GPU處理架構的合作關係。


在這裡ARM的圖形處理架構影響力越來越深,任天堂最新推出的Nintendo 3DS,裡面的處理器就以ARM 9和ARM 11核心架構為主。目前看起來微軟還沒有在可攜式遊戲機領域推出任何產品,不過ARM的下一代Mali架構將可支援DirectX環境,這已經為與微軟在可攜式遊戲機的合作關係先行打好基礎。


任天堂3DS也採用DMP圖形處理技術

任天堂所推出的最新一代掌上遊戲機Nintendo 3DS,除了強調無須配戴3D眼鏡的裸視3D技術之外,也使用日本DMP(Digtal Media Professionals)的圖形處理器技術。


Nintendo 3DS採用的DMP的繪圖處理器Pica200,可以在200MHz時脈運作下,支援頂點效能(Vertex Performance)可達每秒1530萬個多邊形(polygons)數目、以及每秒8億個畫素的繪圖處理能力。因為更多的多邊形電腦圖像,遊戲機內的遊戲圖像越能逼近呈現神似效果,而頂點則是多邊形和多邊形連接的點。


另外DMP的Pica200繪圖晶片還具備各項多媒體繪圖處理功能,包括可支援最高4095×4095畫素的Frame buffer;畫素格式可支援RGBA4444、RGB565、RGBA5551和RGBA8888;可提供OpenGL ES 1.1內嵌式繪圖核心的頂點編程(Vertex program)、支援RTT(Render to texture)、Bilinear texture filtering、全景反鋸齒功能(Full-scene antialiasing)、圖層半透明混合處理(Alpha blending)以及Polygon offset等等。


值得注意的是,DMP擁有所謂藉由可帶光影物理修正讓即時照片真實渲染(shader)的技術。這個技術可以讓DMP的繪圖晶片,呈現遊戲內容內快速渲染雲彩、煙霧、氣體和其他模糊物體的逼真顯示效果。此外,DMP也開發應用於嵌入式產品的 2D / 3D 繪圖技術開發,提供整合軟硬體架構的3D繪圖解決方案。


DMP的PICA2000繪圖處理核心採用DMP自有的3D繪圖擴充功能Maestro技術,可藉由硬體方式達到各種複雜的著色功能,在講究低功耗設計的高階可攜式遊戲機當中,實現裸視3D高畫質的圖形渲染功能。


搶攻陣地 ARM將推下一代GPU架構

ARM目前在Game Handheld繪圖處理器架構的市佔率約為65%,在任天堂遊戲機的市佔率已接近100%。在Mali-200和Mali-400繪圖處理架構之後,今年底前ARM也會推出下一代Mali繪圖架構,可同時支援Apple積極推廣的OpenCL和微軟的Direct X多媒體預算環境。現在新力的PSP系列還是以MIPS核心架構為主,不過ARM則是非常積極地要搶攻新力可攜式遊戲機這一塊,預計在2011年,新一代PSP的圖形處理架構就可能會以ARM架構來取代。


ARM的四核GPU架構,在頻率275MHz時,每秒填充率可達到1G。現在ARM所設計的Mali架構,可以讓遊戲顯示品質WVGA提升到1080p階段時,頻寬僅需增加2.5倍。其採用的技術是,把大螢幕圖形處理切成多個小格方塊來運作,利用GPU內部的buffer和cache,由GPU內部先處理頻寬負擔,減少讀取外部記憶體的次數,讓外部的資源調配可以更具彈性空間。


除了繼續支援OpenGL ES 2.0和OpenCL繪圖運算環境外,ARM也會進一步支援微軟的Direct X遊戲環境。在GPU處理架構部份,ARM強調的是多核心設計,採取類似平行處理的設計概念,每一核心對應處理多個特定的遊戲視訊方塊,藉由可達4核心GPU繪圖處理架構在運算負載的彈性化設計,來提昇GPU運算處理的效能。另外,將傳輸資料的頻寬負載鎖在晶片內部來處理,而減少記憶體讀取所造成的負擔,也是GPU繪圖處理架構能進一步降低功耗、滿足可攜式遊戲機應用需求的重要設計。


擴大可攜式遊戲機的影響力,並改變既有遊戲平台的相對封閉生態,一直是ARM在此領域的發展重點。提供SoC廠商更多開放資源的繪圖處理運算環境,以及設計多核心的GPU架構,強化省電低功耗、提昇頻寬效能和遊戲視訊品質,便是ARM在繪圖處理架構的技術指導原則。


多核GPU成趨勢 可攜式遊戲平台走開放

儘管可攜式遊戲機其中之一的Game handheld裝置,相關架構還是由遊戲內容廠商所決定。不過遊戲內容勢必朝向開放環境前進,這時GPU多核架構的標準化便越來越重要。


無論是ARM的Mali繪圖處理架構還是Imagination的POWERVR架構,都不約而同地強調可支援OpenGL/ES 2.0/1.1繪圖軟體規格。OpenGL/ES 2.0被視為可提昇可攜式遊戲機內容品質與PC等級並駕齊驅的規格,這已經逐漸成為智慧型手機遊戲軟體設計的共通標準。


但是在Game handheld領域,現在遊戲內容供應廠商仍是在相關規格下,走自己的專屬架構,彼此內容之間尚無法進一步開放。微軟的遊戲內容便以DirectX規格為主,而蘋果則是主推OpenCL。目前由於微軟尚未切入可攜式遊戲機領域,因此GPU繪圖處理架構也還沒有能夠支援DirectX的設計,不過ARM在年底前會推出的新一代Mali架構,將會進一步支援DirectX,因此將可同時支援OpenGL/ES 2.0和DirectX。


但是可攜式遊戲機的樣式不是只有Game Handheld而已,智慧型手機內的遊戲功能,或是中國市場類似MID的Android遊戲機也開始出現。這些多樣式可攜式遊戲機的OEM廠商,未來都會是極具潛力的市場。特別是在Android架構底下,可攜式遊戲機的樣貌將會更變化無窮。例如中國的可攜式遊戲機市場,多半會從PMP裝置為基礎,今年底開始變化出各樣各樣的可攜式遊戲機產品。


在這裡,我們也別忘了微軟也正在鴨子划水、想切入可攜式遊戲機的企圖心。儘管微軟尚未明顯表態,可攜式Xbox的影子都還沒浮現,不過前陣子微軟和ARM宣佈擴大合作關係,裡面便透露出一些蛛絲馬跡。


可攜式Xbox熱身 微軟和ARM合作還有得瞧!

進一步觀察Microsoft和ARM擴展合作關係的發展脈絡,可攜式遊戲機應該是其中重要的項目之一。ARM和Microsoft所簽訂的處理器授權模式,可能是讓Microsoft獲得設計處理器晶片更多的自主空間。花錢買更廣泛的處理器架構授權,就是想要在晶片設計領域獨立自主,也就是要擺脫被其他晶片大廠技術的綁縛與受限。Microsoft要的ARM核心授權,也應該是Cortex-A8等級或以上的授權。Microsoft寧願花錢晶片設計「自己來」,除了證明「我也行」之外,還有更多的策略盤算。


Xbox遊戲機是Microsoft具備自主品牌產品掌控能力的代表作。Microsoft應該是希望先掌握Xbox遊戲機的處理器自主能力。能夠總攬大部分處理作業的遊戲機處理器,特別是以SoC架構來呈現,需要更多的硬體設計資源。可攜式遊戲機處理器最大的課題便是散熱,新一代更具行動化的Xbox遊戲機,更需要降低處理功耗。Microsoft可以藉由ARM處理架構授權,取得更多的硬體設計資源,自主打造低功耗的可攜式遊戲機處理晶片,來掌握可攜式Xbox遊戲機整合軟硬體的關鍵技術。


可攜式遊戲機會更好玩

雖然在可攜式遊戲機領域,任天堂和新力仍佔有主導地位,不過微軟可沒有放棄這一塊,可攜式遊戲機發展風貌也正在起變化。無論是Game Handheld、智慧型手機還是MID樣式的Android遊戲機,GPU繪圖處理架構都是攸關遊戲高解析畫質、低功耗運作、降低處理負擔的最關鍵設計。高效能且多核心的GPU處理架構設計、搭配開放的遊戲引擎和作業環境,才能因應可攜式遊戲機多元化遊戲平台的應用趨勢。可以預見的是,2011年的可攜式遊戲機市場,將會有另一番新風貌。


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