Imagination实现GPU IP重大飞跃：硬件级光线追踪意味着什么？

凭借在GPU产品技术研究方面超过30年的丰富经验，英国Imagination公司近日宣布推出最新一代旗舰款GPU IP产品IMG CXT。该公司宣称，IMG CXT通过其中搭载的PowerVR Photon硬件光线追踪功能，实现了GPU IP的又一次重大飞跃。

谈及光线追踪技术，以往人们更多地是在电影或者PC端游戏中体验到该技术带来的惊艳效果，而这主要是因为其中涉及复杂的计算。而据介绍，IMG CXT首次在移动端实现了光线追踪技术，它不仅保证了低功耗，还实现了桌面级的质量。

何为光线追踪

Imagination方面表示，光线追踪是一项改变游戏规则的技术，可以使图形真实感达到跃升式变化。通过模拟真实世界中光线的表现，它可以创造出与现实生活几乎无异的三维（3D）场景。由于其计算的复杂性，光线追踪不久前也只是应用在台式机和游戏机上，但凭借IMG CXT革命性的Photon架构，移动开发者和游戏玩家现在也能够利用这种令人难以置信的渲染技术和全面的硬件加速功能。

图：使用光线追踪技术前后画面效果对比（上下图为分别为未使用效果与使用后效果）。

据介绍，IMG CXT RT3可提供总体高达1.3 GRay/s的性能。这可以在移动设备的功耗预算下，以高帧率提供逼真的光线追踪阴影、反射、全局照明和环境光遮蔽效果。此外，IMG CXT在光栅化图形处理性能方面也向前迈出了重要一步，与Imagination的上一代GPU IP相比，其计算、纹理和几何性能都提高了50%。

光线追踪可以在不同的性能和效率等级下执行，为了明确这一点，Imagination 建立了光线追踪等级系统（RTLS），确定了从0级（Level 0）到5级（Level 5）共6个等级的光线追踪功能的要求。IMG CXT采用的Photon架构处于RTLS的4级（Level 4），这使其成为当前可用的最先进的光线追踪技术，提升了光线追踪的性能和效率，从而可为移动游戏玩家和开发者提供桌面级质量的体验。

C114了解到，IMG CXT在光线追踪技术方面的领先性主要体现在三个方面：一是在移动端实现，二是通过硬件实现，三是达到了RTLS Level 4。

“我们在移动端的光线追踪技术已经持续投入了接近10年时间。”Imagination中国区战略市场与生态副总时昕博士谈到，即使是在PC端，目前业界普遍能够做到的基本为Level 2或者Level 3。而Imagination首次在全球做到了在移动端实现Level 4的光线追硬件踪处理能力，这与多数企业通过采用软件技术来实现的光线追踪效果截然不同。

同时，他强调，得益于Imagination的多核技术，Photon架构可以扩展应用于云、数据中心和PC市场。

硬件实现的优势

Imagination技术前瞻副总裁Kristof Beets进一步解释称，复杂场景要靠着色器去完成对于场景的渲染，而这所要消耗的资源、功耗都是非常大的，Imagination现在等于把这部分的工作从原有的着色器那里分流到了专门的光线追踪的硬件部分来完成，而当这种渲染的负载被转移到更为专用的硬件上面，它的效率一定会更高，功耗也会大幅下降 。事实上，其功耗效率比现有的RTLS 2/3 级解决方案高2.5倍。

据悉，IMG CXT PowerVR Photon架构中的RAC便是新的专用于处理光线追踪的低功耗专用硬件，相比效率较低的RTLS 2级架构，它可以加速和卸载更多来自着色器内核的光线追踪计算。

具体技术而言，RAC包含了光线存储（Ray Store）、光线任务调度器（Ray Task Scheduler）和相干性聚集器（Coherency Gatherer），并与两个128宽的统一着色器集群（USC）紧密耦合，USC拥有高速专用数据通路，可以实现最高效且功耗最低的光线追踪部署。Ray Store可以在处理过程中将光线数据结构保存在芯片上，并提供对 RAC中所有单元的高带宽读写访问，从而避免了将光线数据存储或读取至动态随机存取存储器（DRAM）所造成的速度降低或功耗增加。Ray Task Scheduler可以卸载着色器集群的任务，并通过专用硬件部署和追踪光线工作负载，同时保持高光线吞吐量和低功耗。独特的Coherency Gatherer单元可以分析所有传播中的光线，并将整个场景中的光线绑定成多个相干组，从而能够以更高的效率对它们进行处理。

Kristof Beets还透露，实际上Imagination的技术现在已经可以做到支持功耗更低的RTLS Level 5，而Imagination之所以没有选择在现阶段推出Level 5产品，主要是出于市场平衡考虑。“如果我们成为市场上唯一一家直接拉到Level 5等级来提供光线追踪硬件设备的话，会让这个市场没有做好准备，市场上不会有多少开发者来开发相应的应用。所以我们决定先推出Level 4，让这个市场因此被培育起来，比如说游戏的3D引擎、游戏开发者进入到这个盘子里来，再慢慢把光线追踪市场做大。”

元宇宙是否为噱头

作为当下最热门的话题之一，Imagination也不可避免地谈到了关于元宇宙的期望。不过，相较于市场上的火热情绪，Imagination高管的态度显得更加务实和冷静。Kristof Beets直言，元宇宙还是一个概念，而且是一个一直在进化的概念。他认为，最近这个话题如此火爆，显显然是因为Facebook更名为Meta，而且宣称将来要给大家提供完整的VR体验。

“VR时不时就回到大众视线中，是因为这项技术很困难、很复杂，还没有实现它最为理想的状态。它一直都是大家心中的一个梦想，还没有彻底达成，只是在很多科幻小说和电影当中存在，它需要在多个方向上的努力才能达到。而光线追踪很可能就是往VR彻底实现方向的一条路线。”他解释说。

Imagination意识到，该公司所走的光线追踪的这条开发路线，讲究的是计算效率和较低的功耗以及非常好的效果，而这正是VR和相应的元宇宙所需要的一项技术。所以，未来在元宇宙起步的时候，光线追踪技术会让Imagination享有什么样的优势呢？

“我觉得，这让我们看到了市场上巨大的潜力，并且让我们确信我们把光线追踪做的更高效、功耗更低的目标，绝对是正确的方向，这也是我们未来会努力的。”Kristof Beets在接受远程视频连线时向媒体表示。

中国是最重要的市场

在当天的新品发布会上，Imagination中国区董事长白农介绍了该公司在中国市场取得的成就。他谈到，“2021年上半年Imagination的总收入同比增长55%，签署了超过35项授权协议，其中中国客户占据大部分。展望未来，中国会继续成为Imagination最重要的市场。”

在谈及中国市场的增长动力时，白农分析称，首先随着全球技术的不断进步，尤其是在5G、大数据时代，对于高性能计算、高算力的需求在不断地快速提升，从处理器方面来说，除了传统的CPU之外，尤其是在GPU、神经网络异构的处理器的需求也跟随着应用场景在提升。另外，随着大数据算力的增加，对低能耗的需求也在不断增加，很多互联网公司和运营商最大的运营成本就是电费，而高性能、低功耗GPU恰恰就是Imagination技术的核心优势。

从商业模式来说，Imagination与传统提供芯片产品的头部企业不一样，作为一家提供半导体和软件知识产权（IP）的公司，其直接的客户是芯片公司，Imagination提供的是核心技术。因此，随着过去几年中国对半导体的重视，整个市场发展非常迅速，而Imagination也看到这其中蕴含的机会。Imagination希望将其技术提供给中国市场，从而使中国企业可以发展更多本土化的高性能计算芯片来支撑整个社会的发展。

此外，据介绍，Imagination是唯一一家非美背景且拥有中资背景的、总部位于英国的GPU相关技术公司，该公司在美国没有研发团队。

Imagination公司副总裁兼中国区总经理刘国军表示，不管是现存领域还是新兴领域，Imagination将更多地投入资源来帮助中国推动生态的建设和成长。时昕博士亦谈到，如果要光线追踪获得成功，光靠Imagination一家公司是不行的，需要整个行业的生态伙伴一起努力。Imagination已与很多中国市场的生态伙伴一起共同合作，包括在游戏方面，ImaginationUI完美世界、腾讯、网易等知名企业有深度合作。

据悉，IMG CXT目前已在全球多个市场中进行了授权，消费者最早有望在2023年在移动端体验到硬件光线追踪解决方案所带来的效果。

【来源：C114通信网】【作者：艾斯】