PowerVR 모바일 최적화 IOS Shader Study 발표 개인자료

1. PowerVR
Low Level GLSL Optimisation
이민웅
Shader Study
http://cdn.imgtec.com/sdk-documentation/PowerVR%20Low%20level%20GLSL%20Optimisation.pdf

2. Low Level GLSL Optimisation
• https://www.imgtec.com/blog/low-level-glsl-optimisation-for-
powervr/
• 원문
• PowerVR Series 6 기준
• Low Level 마지막 최적화용
• http://www.humus.name/Articles/Persson_LowLevelThinking.pdf
• 재원씨발표
• http://www.humus.name/Articles/Persson_LowlevelShaderOptimizat
ion.pdf
• 개발자가 놓칠 수 있는 저 수준 최적화

3. PowerVR Rogue architecture
• 셰이더를 실행하는 데 필요한 사이클 수에 따라 달라짐
• 아키텍처는 물론 구성에 따라 단일 사이클 내에서 USC (통합 쉐
이더 클러스터), ALU (산술 및 논리 유닛) 파이프 라인에서 여러
명령어를 실행하기위한 다양한 옵션을 제공
• 두 개의 F16 SOP (Sum of Products) 명령
• F32 - F16 변환 및 이동 / 출력 / 팩 명령을 모두 한 번에 실행
• FP32 / INT32 MAD / UNPACK 명령어, 테스트 (조건부) 명령어 및
move / output / pack 명령어와 함께 FP32 Multiply-Add 명령어
(MAD)를 한 사이클 만에 실행
• USC 코어를 활용하기 위해 MAD 형식으로 작성

4. USC(Unified Shader Cluster)
통합 쉐이더 클러스터
ALU (Arithmetic and Logic Unit)
산술 및 논리 유닛
SOP (Sum of Products)
Multiply-Add instruction (MAD)

5. MAD
• USC 코어를 가장 효과적으로 활용
• Multiply-Add 의 표현식
fragColor.x = (t.x + t.y) * (t.x - t.y); //2 cycles
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop}
-->
fragColor.x = t.x * t.x + (-t.y * t.y); //1 cycle
{sop, sop}

6. Division
• 역수로 나누기를 작성하는 것
fragColor.x = (t.x * t.y + t.z) / t.x; //3
cycles
{sop, sop, sopmov}
{frcp}
{sop, sop}
-->
fragColor.x = t.y + t.z * (1.0 / t.x); //2
cycles
{frcp}
{sop, sop}

7. Sign
• -1 if x < 0, 1 if x > 0 를 sign으로 사용하는것 보다 조건식이
더 좋음
fragColor.x = sign(t.x) * t.y; //3 cycles
{mov, pck, tstgez, mov}
{mov, pck, tstgez, mov}
{sop, sop}
-->
fragColor.x = (t.x >= 0.0 ? 1.0 : -1.0) * t.y; //2 cycles
{mov, pck, tstgez, mov}
{sop, sop}

8. Rcp/rsqrt/sqrt
• sqrt(t.x) == t.x * inversesqrt(t.x); 같음
fragColor.x = sqrt(t.x) > 0.5 ? 0.5 : 1.0; //3 cycles
{frsq}
{frcp}
{mov, mov, pck, tstg, mov}
-->
fragColor.x = (t.x * inversesqrt(t.x)) > 0.5 ? 0.5 : 1.0; //2 cycles
{frsq}
{fmul, pck, tstg, mov}

9. Abs/Neg/Saturate
fragColor.xyz = -normalize(t.xyz); //6 cycles
{fmul, mov}
{fmad, mov}
{fmad, mov}
{frsq}
{fmul, fmul, mov, mov}
{fmul, mov}
-->
fragColor.xyz = normalize(-t.xyz); //7 cycles
{mov, mov, mov}
{fmul, mov}
{fmad, mov}
{fmad, mov}
{frsq}
{fmul, fmul, mov, mov}
{fmul, mov}
fragColor.x = abs(t.x * t.y); //2 cycles
{sop, sop}
{mov, mov, mov}
-->
fragColor.x = abs(t.x) * abs(t.y); //1 cycle
{sop, sop}
fragColor.x = -dot(t.xyz, t.yzx); //3 cycles
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop}
{mov, mov, mov}
-->
fragColor.x = dot(-t.xyz, t.yzx); //2 cycles
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop}
fragColor.x = 1.0 - clamp(t.x, 0.0, 1.0); //2 cycles
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop}
-->
fragColor.x = clamp(1.0 - t.x, 0.0, 1.0); //1 cycle
{sop, sop}

10. Exp/Log
• PowerVR 에서는 2^n 명령어 지원
fragColor.x = exp2(t.x); //1 cycle
{fexp}
fragColor.x = log2(t.x); //1 cycle
{flog}
float pow( float x, float y )
{
return exp2(log2(x) * y); //3 cycles
{flog}
{sop, sop}
{fexp}
}

11. Sin/Cos/Sinh/Cosh
• 4 cycles 로 비용이 싸다
fragColor.x = sin(t.x); //4 cycles
{fred}
{fred}
{fsinc}
{fmul, mov} //+conditional 조건부
fragColor.x = sinh(t.x); //3 cycles
{fmul, fmul, mov, mov}
{fexp}
{sop, sop}

12. Asin/Acos/Atan/Degrees/Radians
• 하드웨어에서 지원 안함
• 매우 비용이 높다 사용하지 말자
fragColor.x = asin(t.x); //67 cycles
//USC code omitted due to length
fragColor.x = acos(t.x); //79 cycles
fragColor.x = atan(t.x); //12 cycles (lots of conditionals

13. Vector*Matrix
• 필요없는 계산은 하지말자
fragColor = t * m1; //4x4 matrix, 8 cycles
{mov}
{wdf}
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop}
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop}
fragColor.xyz = t.xyz * m2; //3x3 matrix, 4 cycles
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop}
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop}

14. Mixed Scalar/Vector math
• Normalize () / length () / distance
() / reflect () 등의 함수는 dot ()과
같은 함수를 많이 포함
• 두 작업에 공유 하위 표현식이 있다
는 것을 알면 사이클수를 줄일 수
있음
• 그러나 입력 순서가 허용하는 경우에
만 발생
fragColor.x = length(t-v); //7 cycles
fragColor.y = distance(v, t);
{sopmad, sopmad, sopmad, sopmad}
{sop, sop, sopmov}
{sopmad, sopmad, sopmad, sopmad}
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop}
{frsq}
{frcp}
-->
fragColor.x = length(t-v); //9 cycles
fragColor.y = distance(t, v);
{mov}
{wdf}
{sopmad, sopmad, sopmad, sopmad}
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop}
{frsq}
{frcp}
{mov}

15. Operation grouping
• 스칼라연산은 그룹화가 중요
fragColor.xyz = t.xyz * t.x * t.y * t.wzx * t.z * t.w; //7 cycles
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop}
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop}
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop}
-->
fragColor.xyz = (t.x * t.y * t.z * t.w) * (t.xyz * t.wzx); //4 cycles
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop, sopmov}
{sop, sop}
{sop, sop}

16. FP16 overview
• FP16 정밀도 및 변환
• 정밀도는 떨어져도 문제없음
• 최적화로 인해 변화가 있는지 없는지는 항상 체크
• 16-32비트 변환 비용이 무료
• FP16 SOP/MAD
• 잘 사용하면 단일 사이클로 만들수 있음 (1 cycle)

17. SOP/MAD FP16 pipeline
• 16-32비트 변환 비용이 무료
• SOP/MAD에서 다양한 사용법이 있음
4 MADs in one cycle.
fragColor.x = t.x * t.y + t.z;
fragColor.y = t.y * t.z + t.w;
fragColor.z = t.z * t.w + t.x;
fragColor.w = t.w * t.x + t.y;
{sopmad, sopmad, sopmad, sopmad}
//1 cycle
mediump vec4 fp16 = t;
highp vec4 res;
res.x = clamp(min(-fp16.y * abs(fp16.z), clamp(fp16.w, 0.0, 1.0) * abs(fp16.x)), 0.0, 1.0);
res.y = clamp(abs(fp16.w) * -fp16.z + clamp(fp16.x, 0.0, 1.0), 0.0, 1.0);
fragColor = res;
{sop, sop}