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GPUs für Mensch-Maschine-Schnittstellen

Schreiben statt rechnen

9. November 2017, 9:00 Uhr | Von Gautham Kripalani

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GPUs in modernen Anzeigesystemen

Wie weit sich dieser Trend noch ausweitet, hängt von der Hard- und Software zur Ansteuerung der GUIs auf den Displays der Endgeräte ab. 3D-Grafik, die direkt auf dem GPU läuft, wird zunehmend verwendet, um ansprechende grafische Oberflächen preisgünstig anzubieten. Hier stellt sich die Frage, warum nicht gleich eine CPU dafür genutzt werden kann. CPUs sind konstruktionsbedingt Universalprozessoren und lassen sich damit auch für Grafikoperationen nutzen. Die heutigen Marktanforderungen nach hochauflösenden Displays mit ruckelfreier Darstellung und – bei tragbaren Geräten – einer langen Batterielaufzeit sind mit CPUs aber nur schwer zu bedienen.

Eine weitere Möglichkeit wäre die Verwendung von 2D-Grafik für das GUI. Diese Variante hat sich allerdings nie richtig durchgesetzt. Historisch gesehen lag es an einer fehlenden Standardisierung der 2D-Schnittstellen. Obwohl es verschiedene Schnittstellen gab, wurde nie ein einheitlicher Standard festgelegt. Viele 2D-basierte GUIs imitierten 3D-Grafik über Geometriefunktionen, aber ohne integrierte 3D-Hardware-Funktionen, zum Beispiel zur Verdeckungsberechnung (Ermittlung der Teile eines 3D-Objekts, die bei der Projektion auf eine 2D-Oberfläche für den Betrachter tatsächlich sichtbar sind).

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Die Standardisierung macht den Unterschied

Mit zunehmenden Bildraten und Display-Auflösungen wurde die CPU-Last und der Entwicklungsaufwand zur Nachahmung dieser 3D-Effekte zu hoch. Aus diesem Grund konzentrierte man sich gleich auf ein 3D-Konzept, das einfacher und leichter realisierbar war sowie ineffiziente Datenverarbeitung vermied.Aus Anbietersicht könnte die Verwendung von 2D-Grafik auch deshalb problematisch sein, da ein Algorithmus wegen der Nutzung von nicht standardisierten 2D-Frameworks auf einem bestimmten SoC, nicht aber auf einem anderen funktionieren würde.

Demgegenüber sind 3D-Grafikschnittstellen standardisiert. Sie kommen in fast allen Marktsegmenten von Mobiltelefonen bis zu digitalen Fernsehern und Automotive-Systemen zum Einsatz. Für 3D-Grafik gibt es bereits gewachsene Entwickler-Communities mit den entsprechenden Tools und Frameworks. Für den Benutzer haben sich GUIs auf Basis von 3D-Grafik als die komfortablere Variante herausgestellt. Dem Anbieter erlaubt die Standardisierung ein einfaches Aktualisieren seines SoC, was ihm Entwicklungszeit- und kosten spart.

PowerVR-Serie 9XE

Die Anforderungen an eine Mensch-Maschine-Schnittstelle sind in vielen Märkten gleich: Die Entwicklungskosten sollen niedrig, die Füllrate des Grafikprozessors möglichst hoch (um Bildraten von 60 Hz und höher bewältigen zu können) und die Leistungsaufnahme des gesamten Systems möglichst gering ausfallen.

Grafikprozessoren der 9XE-Serie vom Hersteller PowerVR wurden für dieses Anforderungsprofil entwickelt. Der Fokus liegt auf kompakter Bauweise bei maximaler Füllrate und weniger auf hoher Rechenleistung in GFLOPS. Da eine Mensch-Maschine-Schnittstellen unabhängig von der Bildschirmgröße sauber und gut lesbar sein muss, sind hohe Auflösungen wichtiger als effektvolle Animationen, die komplexe Berechnungen erfordern. Daher hat die Füllrate Priorität vor den GFLOPS. Diese Auffassung wird von der Entwickler-Community geteilt. Die Bausteine der 9XE-Serie bietet aktuell eine der höchsten Füllraten pro Quadratmillimeter Chipfläche auf dem Markt.

Über die arithmetisch-logische Einheit (ALU) des elektronischen Rechenwerks können auch rechenintensive KI-Anwendungen auf Basis von neuronalen Netzen ausgeführt werden. In einem aktuellen Smart-TV könnten auf diesen GPUs beispielsweise Gesichtserkennungs-Algorithmen laufen, mit denen das Gerät automatisch die jeweilige Lieblingssendung für die vor dem Fernseher sitzende Person auswählt.