The real time 3D graphics becomes the most attractive application for mobile terminals, in which the battery lifetime and small computing power. Recently, incorporation with 3D navigation services and wireless 3D games promotes to realize programmable 3D graphics pipeline in mobile devices. In addition, since users watch graphics images on a small screen very closely to their eyes, recent mobile 3D graphics are introducing the programmability in both hardware and software for more advanced functionality while achieving low power consumption.
In this research, I designed and implemented a low power fully programmable 3D graphics processor with mobile unified shader for mobile applications. It can provide per-pixel operations and per-pixel operations in a single hardware and thus, it generates realistic 3D graphics effects with low power consumption and small area. The proposed 3D graphics processor has four major features: mobile unified shader, full hardware accelerations with stream processing, logarithmic datapath, and unified SIMD datapath. The 3D graphics processor consists of mobile unified shader, vertex generator, fragment generator, pixel generator, and graphics cache system. And it was embedded into ARM9 based mobile multimedia SoC and the SoC was fabricated using 0.13μm 1Poly 7Metal CMOS logic process and it consumed $36 mm^2$. The 3D graphics processors contains 1.3M logic gates and it consumes 3.3mm $\times$ 3.0mm.
With the mobile unified shader, the developed SoC can provide fully programmable 3D graphics pipeline, per-vertex operations and per-pixel operations, and thus, it can completely generate realistic 3D graphics effects such as environmental mapping or per-pixel lighting. The proposed mobile unified shader reduces silicon area of the 3D graphics processor by 35% with the help of the unified SIMD datapaths, logarithmic datapath. The logarithmic datapaths, low power register file, and micro-level (instruction-level and pixel-level) clock gating reduces the power consumption by 28%. With the help of the Pixel-Vertex Multi-Threading, the proposed 3D graphics processor provides up to 94% of performance of the conventional graphics processor with separated vertex shader and pixel shader.The developed SoC consumes 195mW in continuous calculation of 9.1Mvertices/s full 3D graphics pipeline including programmable per-vertex operations and programmable per-pixel operations at 100MHz operating frequency and 1.2V supply voltage. For a demo content which uses both the per-vertex operations such as transformation and lighting and the per-pixel operations such as environmental mapping, the developed SoC continuously draws the 3D images at the speed of 7.4Mpixels/s in real. The 3D graphics images with realistic graphics effects are successfully demonstrated by the fabricated chip on the system evaluation board.
실시간 3차원 그래픽은 휴대용 터미널에서 가장 흥미 있는 응용분야가 되고 있다. 그렇지만, 휴대용 단말기에서는 한정된 전지 사용시간과 계산 성능이 그래픽 처리를 위한 시스템 자원과 메모리 대역폭을 제한하고 있다. 최근 3차원 네비게이션 서비스와 사실적인 3차원 게임들이 휴대폰과 같은 휴대 단말기에 적용됨에 따라, 휴대 기기용 3차원 그래픽 프로세서 역시 적은 소비전력으로 더욱 향상된 기능을 제공하기 위해 프로그램 처리 능력을 제공해야 한다.
본 연구에서는 휴대용 응용분야를 위해 Mobile Unified Shader를 이용한 전과정 프로그래머블 3D 그래픽 프로세서를 설계하고 구현하였다. 제안된 3D 그래픽 프로세서는 Mobile Unified Shader를 이용한 전과정 프로그래머블 3차원 그래픽스 처리, Unified SIMD 연산구조, Log Number를 이용한 저전력 Lighting Engine의 특징을 가지고 있다. 일반적인 휴대용 3차원 그래픽 프로세서와 달리 제안된 그래픽 프로세서는 Mobile Unified Shader라는 하나의 프로세서를 이용하여 Per-Vertex Operation과 Per-Pixel Operation 를 구현하였다. 또한 Task Switching으로 인한 성능 저하를 막고 효과적으로 Mobile Unified Shader를 이용하기 위한 Pixel-Vertex Multi-Threading (PVMT) 기법을 제안하였다. PVMT는 Texture Cache Miss시에 낭비되는 시간을 이용하여 Per-vertex Operation이 가능하게 Mobile Unified Shader를 이용하다. PVMT를 이용하면 최대 94%의 Vertex Operation이 Pixel Operation 사이로 숨겨지게 된다.
또한, 휴대 단말용 3차원 그래픽은 Geometry 연산은 Floating-Point로 처리되고, Rendering 연산은 Fixed-Point로 처리되므로, 이들 연산을 Mobile Unified Shader에서 처리하기 위해 두 연산을 하나의 연산기에서 처리가능한 Unified SIMD 연산구조도 제안하였다. Unified SIMD 연산기는 Floating-Point 연산기와 Fixed-Point 연산기에서 공통으로 사용하는 기능블럭들을 공유함으로써, 저전력, 소면적 설계를 가능하게 하였다. Unified SIMD 연산구조를 채택함으로써, 기존 구조 대비 47% 면적과 42%의 소비전력 절감이 가능하였다. Lighting 연산을 가속하기 위한 Lighting Engine은 Logarithmic Datapath를 이용하였다. Lighting Engine에서 사용된 LOG 연산기는 16개의 구분적 선형 구간을 같은 LOG / Anti-LOG 변환기를 이용하여 0.15%의 Error 를 갖고 POW 연산을 처리한다. Lighting Engine은 기존 3차원 그래픽 프로세서와 달리 Lighting 연산을 병렬적으로 처리함으로써, 기존 연구 대기 62%의 성능향상이 얻었으며 9.1MVertices/s 의 연산 속도를 보였다.
개발된 3차원 그래픽 프로세서는 ARM RISC 프로세서, 비디오 엔진, 디스플레이 엔진과 함께 휴대 기기용 멀티미디어 SoC화 되어 0.13㎛ 7-metal 표준 CMOS 공정으로 사용하여 칩으로 제작되었다. 3차원 그래픽 프로세서는 1.3M의 로직 게이트로 이루어져 있으며 $9.9 mm^2$ 면적을 차지하였다. 개발된 3차원 그래픽 프로세서는 최고 155mW의 전력을 소비하면서 최대 9.1Mvertices/s의 그래픽스 성능을 나타낸다. 구현된 그래픽스 프로세는 데모 보드를 통해 성공적으로 시연되었고, 휴대용 응용분야에서 실시간 3차원 그래픽스의 구현을 입증하였다.
