Imagination實(shí)現(xiàn)GPU IP重大飛躍：硬件級光線追蹤意味著什么？

11月10日消息（艾斯）憑借在GPU產(chǎn)品技術(shù)研究超過30年的豐富經(jīng)驗，英國Imagination公司近日宣布推出最新一代旗艦款GPU IP產(chǎn)品IMG CXT。該公司宣稱，IMG CXT通過其中搭載的PowerVR Photon硬件光線追蹤功能，實(shí)現(xiàn)了GPU IP的又一次重大飛躍。

談及光線追蹤技術(shù)，以往人們更多地是在電影或者PC端游戲中體驗到該技術(shù)帶來的驚艷效果，而這主要是因為其中涉及復(fù)雜的計算。而據(jù)介紹，IMG CXT首次在移動端實(shí)現(xiàn)了光線追蹤技術(shù)，它不僅保證了低功耗，還實(shí)現(xiàn)了桌面級的質(zhì)量。

何為光線追蹤

Imagination方面表示，光線追蹤是一項改變游戲規(guī)則的技術(shù)，可以使圖形真實(shí)感達(dá)到躍升式變化。通過模擬真實(shí)世界中光線的表現(xiàn)，它可以創(chuàng)造出與現(xiàn)實(shí)生活幾乎無異的三維（3D）場景。由于其計算的復(fù)雜性，光線追蹤不久前也只是應(yīng)用在臺式機(jī)和游戲機(jī)上，但憑借IMG CXT革命性的Photon架構(gòu)，移動開發(fā)者和游戲玩家現(xiàn)在也能夠利用這種令人難以置信的渲染技術(shù)和全面的硬件加速功能。

圖：使用光線追蹤技術(shù)前后畫面效果對比（上下圖為分別為未使用效果與使用后效果）。

據(jù)介紹，IMG CXT RT3可提供總體高達(dá)1.3 GRay/s的性能。這可以在移動設(shè)備的功耗預(yù)算下，以高幀率提供逼真的光線追蹤陰影、反射、全局照明和環(huán)境光遮蔽效果。此外，IMG CXT在光柵化圖形處理性能方面也向前邁出了重要一步，與Imagination的上一代GPU IP相比，其計算、紋理和幾何性能都提高了50%。

光線追蹤可以在不同的性能和效率等級下執(zhí)行，為了明確這一點(diǎn)，Imagination 建立了光線追蹤等級系統(tǒng)（RTLS），確定了從0級（Level 0）到5級（Level 5）共6個等級的光線追蹤功能的要求。IMG CXT采用的Photon架構(gòu)處于RTLS的4級（Level 4），這使其成為當(dāng)前可用的最先進(jìn)的光線追蹤技術(shù)，提升了光線追蹤的性能和效率，從而可為移動游戲玩家和開發(fā)者提供桌面級質(zhì)量的體驗。

C114了解到，IMG CXT在光線追蹤技術(shù)方面的領(lǐng)先性主要體現(xiàn)在三個方面：一是在移動端實(shí)現(xiàn)，二是通過硬件實(shí)現(xiàn)，三是達(dá)到了RTLS Level 4。

“我們在移動端的光線追蹤技術(shù)已經(jīng)持續(xù)投入了接近10年時間。”Imagination中國區(qū)戰(zhàn)略市場與生態(tài)副總時昕博士談到，即使是在PC端，目前業(yè)界普遍能夠做到的基本為Level 2或者Level 3。而Imagination首次在全球做到了在移動端實(shí)現(xiàn)Level 4的光線追硬件蹤處理能力，這與多數(shù)企業(yè)通過采用軟件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的光線追蹤效果截然不同。

同時，他強(qiáng)調(diào)，得益于Imagination的多核技術(shù)，Photon架構(gòu)可以擴(kuò)展應(yīng)用于云、數(shù)據(jù)中心和PC市場。

硬件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢

Imagination技術(shù)前瞻副總裁Kristof Beets進(jìn)一步解釋稱，復(fù)雜場景要靠著色器去完成對于場景的渲染，而這所要消耗的資源、功耗都是非常大的，Imagination現(xiàn)在等于把這部分的工作從原有的著色器那里分流到了專門的光線追蹤的硬件部分來完成，而當(dāng)這種渲染的負(fù)載被轉(zhuǎn)移到更為專用的硬件上面，它的效率一定會更高，功耗也會大幅下降 。事實(shí)上，其功耗效率比現(xiàn)有的RTLS 2/3 級解決方案高2.5倍。

據(jù)悉，IMG CXT PowerVR Photon架構(gòu)中的RAC便是新的專用于處理光線追蹤的低功耗專用硬件，相比效率較低的RTLS 2級架構(gòu)，它可以加速和卸載更多來自著色器內(nèi)核的光線追蹤計算。

具體技術(shù)而言，RAC包含了光線存儲（Ray Store）、光線任務(wù)調(diào)度器（Ray Task Scheduler）和相干性聚集器（Coherency Gatherer），并與兩個128寬的統(tǒng)一著色器集群（USC）緊密耦合，USC擁有高速專用數(shù)據(jù)通路，可以實(shí)現(xiàn)最高效且功耗最低的光線追蹤部署。Ray Store可以在處理過程中將光線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存在芯片上，并提供對 RAC中所有單元的高帶寬讀寫訪問，從而避免了將光線數(shù)據(jù)存儲或讀取至動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）所造成的速度降低或功耗增加。Ray Task Scheduler可以卸載著色器集群的任務(wù)，并通過專用硬件部署和追蹤光線工作負(fù)載，同時保持高光線吞吐量和低功耗。獨(dú)特的Coherency Gatherer單元可以分析所有傳播中的光線，并將整個場景中的光線綁定成多個相干組，從而能夠以更高的效率對它們進(jìn)行處理。

Kristof Beets還透露，實(shí)際上Imagination的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)可以做到支持功耗更低的RTLS Level 5，而Imagination之所以沒有選擇在現(xiàn)階段推出Level 5產(chǎn)品，主要是出于市場平衡考慮。“如果我們成為市場上唯一一家直接拉到Level 5等級來提供光線追蹤硬件設(shè)備的話，會讓這個市場沒有做好準(zhǔn)備，市場上不會有多少開發(fā)者來開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用。所以我們決定先推出Level 4，讓這個市場因此被培育起來，比如說游戲的3D引擎、游戲開發(fā)者進(jìn)入到這個盤子里來，再慢慢把光線追蹤市場做大。”

元宇宙是否為噱頭

作為當(dāng)下最熱門的話題之一，Imagination也不可避免地談到了關(guān)于元宇宙的期望。不過，相較于市場上的火熱情緒，Imagination高管的態(tài)度顯得更加務(wù)實(shí)和冷靜。Kristof Beets直言，元宇宙還是一個概念，而且是一個一直在進(jìn)化的概念。他認(rèn)為，最近這個話題如此火爆，顯顯然是因為Facebook更名為Meta，而且宣稱將來要給大家提供完整的VR體驗。

“VR時不時就回到大眾視線中，是因為這項技術(shù)很困難、很復(fù)雜，還沒有實(shí)現(xiàn)它最為理想的狀態(tài)。它一直都是大家心中的一個夢想，還沒有徹底達(dá)成，只是在很多科幻小說和電影當(dāng)中存在，它需要在多個方向上的努力才能達(dá)到。而光線追蹤很可能就是往VR徹底實(shí)現(xiàn)方向的一條路線。”他解釋說。

Imagination意識到，該公司所走的光線追蹤的這條開發(fā)路線，講究的是計算效率和較低的功耗以及非常好的效果，而這正是VR和相應(yīng)的元宇宙所需要的一項技術(shù)。所以，未來在元宇宙起步的時候，光線追蹤技術(shù)會讓Imagination享有什么樣的優(yōu)勢呢？

“我覺得，這讓我們看到了市場上巨大的潛力，并且讓我們確信我們把光線追蹤做的更高效、功耗更低的目標(biāo)，絕對是正確的方向，這也是我們未來會努力的。”Kristof Beets在接受遠(yuǎn)程視頻連線時向媒體表示。

中國是最重要的市場

在當(dāng)天的新品發(fā)布會上，Imagination中國區(qū)董事長白農(nóng)介紹了該公司在中國市場取得的成就。他談到，“2021年上半年Imagination的總收入同比增長55%，簽署了超過35項授權(quán)協(xié)議，其中中國客戶占據(jù)大部分。展望未來，中國會繼續(xù)成為Imagination最重要的市場。”

在談及中國市場的增長動力時，白農(nóng)分析稱，首先隨著全球技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是在5G、大數(shù)據(jù)時代，對于高性能計算、高算力的需求在不斷地快速提升，從處理器方面來說，除了傳統(tǒng)的CPU之外，尤其是在GPU、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)的處理器的需求也跟隨著應(yīng)用場景在提升。另外，隨著大數(shù)據(jù)算力的增加，對低能耗的需求也在不斷增加，很多互聯(lián)網(wǎng)公司和運(yùn)營商最大的運(yùn)營成本就是電費(fèi)，而高性能、低功耗GPU恰恰就是Imagination技術(shù)的核心優(yōu)勢。

從商業(yè)模式來說，Imagination與傳統(tǒng)提供芯片產(chǎn)品的頭部企業(yè)不一樣，作為一家提供半導(dǎo)體和軟件知識產(chǎn)權(quán)（IP）的公司，其直接的客戶是芯片公司，Imagination提供的是核心技術(shù)。因此，隨著過去幾年中國對半導(dǎo)體的重視，整個市場發(fā)展非常迅速，而Imagination也看到這其中蘊(yùn)含的機(jī)會。Imagination希望將其技術(shù)提供給中國市場，從而使中國企業(yè)可以發(fā)展更多本土化的高性能計算芯片來支撐整個社會的發(fā)展。

此外，據(jù)介紹，Imagination是唯一一家非美背景且擁有中資背景的、總部位于英國的GPU相關(guān)技術(shù)公司，該公司在美國沒有研發(fā)團(tuán)隊。

Imagination公司副總裁兼中國區(qū)總經(jīng)理劉國軍表示，不管是現(xiàn)存領(lǐng)域還是新興領(lǐng)域，Imagination將更多地投入資源來幫助中國推動生態(tài)的建設(shè)和成長。時昕博士亦談到，如果要光線追蹤獲得成功，光靠Imagination一家公司是不行的，需要整個行業(yè)的生態(tài)伙伴一起努力。Imagination已與很多中國市場的生態(tài)伙伴一起共同合作，包括在游戲方面，ImaginationUI完美世界、騰訊、網(wǎng)易等知名企業(yè)有深度合作。

據(jù)悉，IMG CXT目前已在全球多個市場中進(jìn)行了授權(quán)，消費(fèi)者最早有望在2023年在移動端體驗到硬件光線追蹤解決方案所帶來的效果。

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