记得刚才的想法

用更多更简单的处理器

• 同等面积，处理器越简单，数量越多
• 我们甚至不需要处理器有 CPU 指令集的计算能力！
  • “领域专用加速器”
    • ISP: Image Signal Processing (手机相机)
    • GPU: Graphics Processing Unit (图形渲染)
    • DPU: Data Processing Unit (网络/数据处理)

至少有一件事，可以让专用处理器来做

画图

• 对 $f_{i,j}$ 的计算是 “massive parallel” 的

for (int y = 0; y < H; ++y) {
    for (int x = 0; x < W; ++x)
        putchar(f(x, y) ? '*' : ' ');
    putchar('\n');
}

• 对 CPU 来说是个根本不可能完成的任务
  • NES: MOS 6502 @ 1.79Mhz; IPC $\approx$ 0.43
  • 屏幕共有 256 x 240 = 61K 像素 (256 色)
  • 60FPS → 10K 条指令完成 61K 像素的渲染

NES Picture Processing Unit 绘图模型

以 $8\times8$ 的 “贴块” (tile) 为绘制的基本单位

• 背景画布 + 动态前景 (sprites)

NES PPU 的图形绘制

• Sprite = ($x$, $y$, tile, attr), 256-byte Sprite RAM (64 个)

76543210
||||||||
||||||++- Palette
|||+++--- Unimplemented        
||+------ Priority
|+------- Flip horizontally
+-------- Flip vertically

Massive Parallelism

// 逐行扫描
for (int row = 0; row < lines; row++) {

    // 我们可以作弊 
    #pragma omp parallel for
    for (int i = 0; i < 64; i++) {
        struct sprite *s = &SPRAM[i];
        if (s->y <= row && row < s->y + 8) {
            // 绘制 sprite
        }
    }

    display_row(row);
}

• 这就是早期的 “fixed-function pipeline”

Aside: 超越机能的限制

神奇的 MMC1 芯片

• “Memory mapper”
• 如果我们有更大的 ROM，就有更大的 hack 空间

The Legend of Zelda

• 看看一代吧！

图形渲染管线 $\text{im} = f(\text{description})$

“Fixed-function pipeline”

• 每个部分都有可配置的参数
  • 例如，glLightfv, glMaterialfv 设置光源和材质

功能越强，人们想要的越多

Rendering pipeline 逐渐从 “固定功能” 到 “可编程”

• Vertex shader: $v' = f(v)$
• Fragment shader: $c' = f(c)$
  • Reading

现代图形渲染管线

于是，人们开始玩起了花活

• “Fast matrix multiplies using graphics hardware” (SC'01)
  • 外积分解: $A \times B = \sum_{k=1}^n A_{*,k} B_{k,*}$
  • GPGPU 总是围绕 “图像”
    • 所以把各种计算问题转换为 “图像” 的计算 (物理模拟、天气预报……)

绕了一圈……知道我们要干啥了吧！

void vertex_shader(  // HLSL
    float4 position : POSITION,
    float4 color : COLOR,
    out float4 oPosition : POSITION,
    out float4 oColor : COLOR
) {
    float r = rand(position.xyz, seed);
    float3 offset = (r - 0.5) * 0.1; // 随机扰动
    float4 newPos = position + float4(offset, 0.0);
    oPosition = mul(newPos, WorldViewProj);
    oColor = color;
}

for (int y = 0; y < H; ++y) {
    for (int x = 0; x < W; ++x)
        putchar(f(x, y) ? '*' : ' ');
    putchar('\n');
}