高效能3D繪圖處理器關鍵技術之研究

Abstract

3D電腦繪圖技術快速發展，下一代的3DMark06程式，已大量採用含有HDR-high dynamic range技術及Microsoft Shader Model 3.0標準的測試項目。概而言之，GPU (graphics processing unit) 架構與相關技術將持續成為未來重要的研究議題。在使用者對於畫面細緻擬真的更高需求下，整個shading system的功能必須更加擴充。硬體技術方面，將面對處理更多的vertices與fragments、更複雜的multi-thread/multi-pass rendering 程式、更大量的HDR資料運算，與更多中間值資料存取等問題；另外，支援HDR浮點處理與SM3.0條件分支指令等相關技術，已為新一代GPU的必備條件。軟體技術方面，則將面臨threads/passes 的切割、指令平行度的開發、registers的使用、以及資料壓縮等問題。本計畫擬以3D繪圖管線流程的角度出發，規劃為期三年的研究，以探討3D繪圖技術所面臨的各項軟硬體研究議題。 本三年期計畫申請案的研究內容將以發展3D繪圖技術為目的，並依編譯技術(屬程式執行前的處理)、處理器架構技術(屬程式執行期間的處理)、及資料緩衝儲存技術等三大領域，規劃各項研究主題，概述如下︰ 領域一︰編譯技術— 3D繪圖應用程式在編譯為組合語言程式時，傳統上面臨的主要困難有硬體資源有限，程式／指令執行時間不固定、暫存器使用率不佳等。因此我們擬進行以下主題之研究︰ 主題一、提升像素著色器效率的指令排程技術(之大部份內容) 主題二、像素著色器中的暫存器使用技術(之大部份內容) 領域二︰處理器架構技術— 繪圖處理的運算過程中，除了運算量極大，還包含了資料量極大，硬體資源需求變化極大，以及運算延遲時間變化極大等特性。因此我們擬進行以下主題之研究︰ 主題一、提升像素著色器效率的指令排程技術(之部份內容) 主題二、像素著色器中的暫存器使用技術(之部份內容) 主題三、可動態重組之著色單元及頂點與像素的負載平衡技術 主題四、材質過濾處理之可重組單元設計及負載平衡技術 主題五、提前深度測試與階層式深度測試資料不一致性之研究 領域三︰資料緩衝儲存技術— 在繪圖處理管理線中，應有的資料記憶體一般包含處理器暫存器檔、Z buffer、texture memory、frame buffer、以及stencil buffer。另外為因應多緒執行、多pass執行、deferred shading 等需求，中間值大量出現，又需另外尋找記憶空間 (例如F-buffer、G-buffer)、妥善管理，並融合入系統設計中。因此我們擬進行以下主題之研究︰ 主題六、可變長度資料壓縮檔中快速索引技術 主題七、繪圖管線中資料與中間值的管理技術 主題八、可共享及可延展的暫存器檔設計 我們基於計算機架構及編譯技術的既有知識基礎，期望能將之應用於發展關鍵的3D繪圖處理軟、硬體技術，以達3D電腦繪圖更快、更擬真、更省、以及更具彈性等目的。預計本計畫執行完畢時，將有助提昇我國graphics處理的設計開發能力及經濟利益。該等技術對數位生活、醫療照護等，均有助長促成之功。此計畫所規劃的研究是目前產學研的重要趨勢，也適合國內數位設計、SoC等工業發展的人才培育所需。