GDC: Architecture GPU : IMR, TBR ou TBDR ?

Durant la GDC, il n'était pas question uniquement des GPU PC ou console : le monde du GPU mobile était également à l'honneur tant il se développe à une vitesse fulgurante. Compte tenu du nombre important d'acteurs à ce niveau, des contraintes fortes en terme d'efficacité énergétique et une bande passante mémoire très limitée, différents types d'architectures s'y côtoient, avec des compromis différents. L'occasion de faire le point entre les variantes IMR, TBR ou TBDR, en nous basant sur quelques slides récapitulatives proposées par Imagination.

Rappelons tout d'abord deux concepts :

Le rendu basé sur des tiles (tuiles), également appelé binning, consiste à subdiviser le framebuffer en un ensemble de petites zones de l'image qui seront rendues les unes après les autres et qui peuvent tenir dans un petit cache interne au GPU. Cela a pour avantage d'éviter de passer par la mémoire externe et de gaspiller de la bande passante mémoire lors de l'écriture de pixels "temporaires". Imagination parle par exemple de tiles de 32x32 pixels, en précisant que la taille exacte est variable selon le GPU Power VR.

Le rendu différé permet de se baser sur une première passe dans laquelle la géométrie est passée en revue pour ne retenir qu'un seul pixel à finaliser par point de l'écran et ainsi réduire, voire supprimer, l'overdraw (le rendu de pixels masqués). Le rendu différé peut être implémenté de manière logicielle comme le font de nombreux moteurs graphiques pour ne calculer la partie complexe de l'éclairage qu'une fois par pixel. Il peut également être implémenté de façon matérielle en tant que technique de HSR (Hidden Surface Removal) pour permettre au GPU de déterminer l'unique pixel visible par point de l'écran.

Il existe trois grands groupes d'architectures GPU (notez qu'étant donné qu'il s'agit de slides d'Imagination, les points cités sur celles-ci se contentent de mettre en avant les avantages du TBDR maison) :

[ IMR – Immediate Mode Renderer ] [ TBR – Tile Based Renderer ] [ TBDR – Tile Based Deferred Renderer ]

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L'IMR ou le rendu immédiat représente l'approche "naturelle" du rendu sur base de primitives : la géométrie est transformée pour prendre place dans la scène, les triangles sont directement découpés en pixels les uns à la suite des autres, les pixels sont rendus et écris en mémoire. Cette approche est très flexible mais peut consommer beaucoup de bande passante mémoire et entraîner le calcul de pixels masqués quand un triangle caché par un autre est rendu avant celui-ci. Les GPU d'AMD, d'Intel et de Nvidia (y compris Tegra), ainsi qu'optionnellement les GPU Adreno de Qualcomm, exploitent l'IMR et disposent de nombreuses optimisations pour éviter de gaspiller trop de ressources.

Le TBR ou binning, soit le rendu tile par tile "simple", est exploité à des degrés divers par les GPU Mali d'ARM, Adreno de Qualcomm voire dans certains cas Xenos de la Xbox 360 et HD Graphics d'Intel. Pour être efficace et éviter de devoir traiter plusieurs fois la géométrie (pour chaque tile), cette approche doit être combinée à un rendu en deux étapes. La première consiste à passer en revue toute la géométrie et à écrire en mémoire la position de chaque primitive (triangles) après transformation ainsi qu'un lien vers toutes les tiles que chacune affecte. Le rendu classique peut ensuite se faire tile par tile, en ne traitant que les triangles qui s'y retrouvent et en ne gaspillant pas de bande passante mémoire externe, que ce soit pour écrire des pixels cachés ou pour des opérations de mélange lorsque des objets transparents sont rendus.

Dans certains cas, cette approche est cependant peu efficace, par exemple lorsque la géométrie est très complexe et représente autant, voire plus, de données à écrire en mémoire que ce qui est économisé au niveau des pixels. Par ailleurs, lorsque de petits triangles (qui peuvent être traités en un seul cycle) croisent plusieurs tiles, le rasterizer peut se retrouver débordé puisqu'il va devoir les traiter une fois pour chaque tile. Cette perte d'efficacité potentielle est la raison pour laquelle les GPU d'Intel et de Qualcomm supportent l'IMR en plus du TBR.

Le TBDR exploité par les GPU PowerVR ajoute au TBR le principe du rendu différé : se débarrasser de l'overdraw. Ainsi une technique de HSR (Hidden Surface Removal) hardware basée sur un lancer de rayon permet pour chaque pixel de retrouver le triangle visible au milieu de l'ensemble de la géométrie liée à la zone de rendu, ce qui est bien entendu facilité par le rendu par tile. Notez que le TBDR peut perdre d'avantage en efficacité que le TBR quand la géométrie devient très complexe puisque le moteur de HSR va avoir plus de mal à déterminer les triangles visibles et potentiellement devenir le facteur limitant.

Par contre, en plus de n'écrire en mémoire externe qu'un seul pixel par point de l'écran, seulement un pixel est calculé par les GPU de type TBDR, ce qui permet des économies supplémentaires au niveau de la puissance de calcul et de texturing. Notez qu'en contrepartie, certaines techniques de rendu demandent des adaptations particulières, qui peuvent avoir un coût, pour fonctionner sur ce type d'architecture : c'est le cas de certains effets de transparences ou qui modifient la profondeur effective du pixel après le traitement géométrique (bump mapping avancé par exemple).

Chaque approche a donc des avantages et des désavantages. Comme pour tout ce qui concerne le rendu 3D temps réel en général, il s'agit toujours d'un compromis. En dehors de Nvidia, il semble cependant y avoir un consensus dans le monde mobile en faveur de l'utilisation de tiles, tout du moins optionnellement, pour économiser autant que possible la bande passante mémoire et l'énergie qui y est liée, quitte à complexifier l'architecture du GPU.