Imagination在線課程上新！深入解讀業(yè)界首個(gè)移動(dòng)端光線追蹤GPU架構(gòu)

在2021年11月初，我們宣布了不僅是Imagination GPU歷史上的一個(gè)重要里程碑，同時(shí)在我們看來，也是整個(gè)GPU歷史上的一個(gè)重要的里程碑：即IMG CXT，這是我們第一個(gè)可用于IP授權(quán)許可的支持光線追蹤的GPU核。

眾所周知，自3D圖形開始以來，使用光線追蹤進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染一直是目標(biāo)。這是因?yàn)橥ㄟ^模仿光線在現(xiàn)實(shí)世界中的行為，光線追蹤有可能創(chuàng)建比傳統(tǒng)光柵化更準(zhǔn)確、更逼真的3D視覺效果。

徹底改變游戲視覺效果

通過光線追蹤，游戲變得更真實(shí)，更精確的照明可以創(chuàng)建更自然的陰影和反射，這有助于將角色和物體融入3D場(chǎng)景。它可以使所有內(nèi)容看起來更漂亮，并且不那么“游戲化”，使游戲更接近我們習(xí)慣在電影中看到的圖形質(zhì)量。

在游戲之外，光線追蹤有望改變家居設(shè)計(jì)和建筑等領(lǐng)域的3D可視化。想象一下，去陳列室設(shè)計(jì)你完美的廚房?，F(xiàn)在，您不再需要等待逼真的3D渲染——這一切都可以實(shí)時(shí)完成，甚至可以在手機(jī)或平板電腦上完成。除了3D圖形，光線追蹤甚至可以用于音頻，通過測(cè)量聲音在房間周圍的反彈方式，以及考慮材料吸收音量的質(zhì)量來增強(qiáng)真實(shí)感。

不單單是游戲玩家喜歡更逼真的視覺效果，對(duì)于開發(fā)人員來說，光線追蹤提供了更簡(jiǎn)單、更高效的工作流程，進(jìn)而節(jié)省了他們的時(shí)間。作為一種更純粹、更優(yōu)雅的照明方法，光線追蹤的概念早于光柵化，但由于其計(jì)算復(fù)雜性，直到近些年才在大型、嘈雜和強(qiáng)大的臺(tái)式機(jī)的最新硬件上使用。不過，這些顯卡板在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出低功耗、移動(dòng)優(yōu)化設(shè)備的實(shí)際功率范圍內(nèi)運(yùn)行，因此這些芯片制造商聲稱手機(jī)尚未準(zhǔn)備好進(jìn)行光線追蹤也就不足為奇了。

幾年前（約2015年左右），業(yè)界甚至認(rèn)為3D圖形根本無法在移動(dòng)設(shè)備上完成。但是，移動(dòng)端一直是Imagination擅長(zhǎng)的領(lǐng)域。我們基于分塊的延遲渲染（TBDR） 方法開啟了智能手機(jī)革命，即使在壽命和熱性能限制非常嚴(yán)格的設(shè)備中，也能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的 3D 圖形。TBDR 完全消除了即時(shí)模式渲染器的低效過度繪制問題：耗費(fèi)大量時(shí)間為像素著色，而這些像素隱藏在靠近相機(jī)的物體后面，是以用戶在屏幕上永遠(yuǎn)不會(huì)看到這些像素。IMG CXT則代表了PowerVR TBDR架構(gòu)的演進(jìn)巔峰，同時(shí)引入了移動(dòng)圖形發(fā)展的下一階段：光線追蹤。

移動(dòng)光線追蹤的到來

經(jīng)過十年的創(chuàng)新開發(fā)工作，Imagination推出了IMG CXT，這是其首款將光線追蹤加速硬件緊密集成到芯片中的GPU核。但在我們討論其光線追蹤功能之前，重要的是要意識(shí)到CXT是相比于傳統(tǒng)光柵化的超快GPU。它建立在我們的A系列和B系列GPU的基礎(chǔ)上，這些GPU采用了超寬ALU，優(yōu)化的紋理處理單元，可配置的緩存大小和改進(jìn)的壓縮算法，與前幾代相比，在功耗、性能、面積和帶寬（PPAB）效率方面實(shí)現(xiàn)了重大飛躍。

B系列GPU實(shí)現(xiàn)了諸多優(yōu)化和改進(jìn)，例如基于多核和小芯片，其靈活可擴(kuò)展性特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)從嵌入式到桌面級(jí)的解決方案，還通過進(jìn)一步的微架構(gòu)調(diào)整和物理設(shè)計(jì)優(yōu)化提高了計(jì)算效率。因此，B系列仍然是市場(chǎng)上用于光柵化的頂級(jí)GPU。

CXT則代表了我們的頂級(jí)設(shè)計(jì)，通過進(jìn)一步的微架構(gòu)調(diào)整，它提供了比上一代產(chǎn)品高出50%的幾何圖形和計(jì)算能力，同時(shí)引入了最新的圖形渲染，即光線追蹤。

CXT 的計(jì)算和紋理處理單元從上一代的4個(gè)增加到 6 個(gè)，以及一個(gè)額外的幾何柵格單元。

由于光線追蹤仍然是一項(xiàng)計(jì)算成本非常高的技術(shù)，IMG CXT采用混合方法進(jìn)行3D渲染。自2018年底以來，這已在臺(tái)式個(gè)人電腦市場(chǎng)上推出，不過Imagination早在2016年就基于其“Wizard”架構(gòu)的“Plato”演示板上進(jìn)行了首次運(yùn)行演示。它于2014年第一次亮相，是第一個(gè)引入混合渲染概念的設(shè)計(jì)——將光線追蹤功能與傳統(tǒng)光柵化相結(jié)合。

光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)

CXT是這種設(shè)計(jì)的演變，并具有Photon光線追蹤架構(gòu)，該架構(gòu)提供了許多專用于加速光線追蹤的硅模塊，比桌面級(jí)架構(gòu)可能的方式更節(jié)能。由于并非所有光線追蹤解決方案都是平等的，Imagination建立了光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)。這確定了六個(gè)級(jí)別的光線追蹤，從純軟件的0級(jí)到5級(jí)，并且由于Photon架構(gòu)的光線加速集群，IMG CXT位于4級(jí)。如果您想深入了解Photon架構(gòu)的更多信息，我們提供了一份詳細(xì)的白皮書，解釋了混合渲染的原理以及我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)光線追蹤加速。

總而言之，RAC提供的硬件極大地加速了光線通過邊界框?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)的遍歷，這是有效加速光線追蹤所必需的。獨(dú)一無二的是，它具有數(shù)據(jù)包相干收集單元，該單元可識(shí)別反射光線中的相干性，并將它們打包在一起以充分利用內(nèi)存帶寬。同樣，要了解更多信息，我們建議查看白皮書，但在這里需要說明，這種相干性收集單元是我們?nèi)绾卧谝苿?dòng)功率預(yù)算中以足夠有效的性能提供光線追蹤的方法。多虧了這一點(diǎn)，當(dāng)談到可用的移動(dòng)性能時(shí)，IMG CXT是市面上唯一的游戲玩家。

Photon架構(gòu)白皮書

與我們之前的所有IP核一樣，CXT是汽車領(lǐng)域的絕佳解決方案，并且由于引入了光線追蹤，情況更是如此。光線追蹤將在渲染復(fù)雜的曲面（如汽車車身）時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的效率，使其成為逼真光線追蹤汽車渲染的理想選擇，可在儀表板寬顯示屏上完美呈現(xiàn)車輛。

支持 Vulkan

CXT 完全支持用于光線追蹤的 Vulkan API，處理光線查詢和光線追蹤的光線管線實(shí)現(xiàn)，因此無論應(yīng)用程序是針對(duì)移動(dòng)設(shè)備還是桌面，CXT都能夠支持它。這將有助于它為應(yīng)用程序提供更逼真的陰影和反射，以及光線追蹤全局照明，以實(shí)現(xiàn)真正身臨其境的真實(shí)視覺效果。

多年來，我們一直期望游戲機(jī)和臺(tái)式PC上的圖形質(zhì)量水平最終會(huì)應(yīng)用到移動(dòng)設(shè)備上，現(xiàn)在光線追蹤也是如此。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)開放授權(quán)，我們迫不及待地想看到這項(xiàng)技術(shù)到達(dá)每個(gè)人的手中。

在下一篇文章中，我們將介紹光線追蹤可以帶來更多深度的一些視覺增強(qiáng)功能，以及它將為開發(fā)人員帶來的時(shí)間節(jié)省效率。

原文標(biāo)題：為什么IMG CXT光線追蹤是移動(dòng)端游戲規(guī)則的改變者

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