GPU迎来新突破：硬件实时光线追踪技术全球首次迈进移动端
来源:半导体行业观察发布时间:2021-11-07378浏览
询问 AI据数据统计，2020年GPU行业规模为200亿美元，预计2021年将增长15%。从2015年到2025年，GPU市场规模预计将从80亿美元扩展到350亿美元，年复合增长率达13%。
从当前市场和技术趋势发展来看，无论是近期大热的元宇宙、云游戏，还是可视化、数据中心、智能汽车，以及桌面和移动终端等，都需要大量的高性能图像处理和渲染能力，对GPU提出了巨大的需求。因此，近年来呈现出GPU市场增速迅猛，蓬勃发展的态势。
以当前火热的元宇宙为例，作为虚拟世界和现实世界融合的载体，元宇宙中蕴含着游戏、社交、办公、内容等场景变革的巨大机遇，正在成为科技企业竞相追逐的风口。元宇宙的诞生需要依赖多项底层技术的搭建与完善，最关键的部分在于其载体与内容，需要多项复杂的技术。GPU作为打造元宇宙的“数字底座”，为元宇宙建立提供基础设施的构建和协作，依托GPU的图像处理技术继续优化，帮助渲染元宇宙世界，提升元宇宙的真实场景式体验。
不难发现，在传统行业持续更迭与新兴市场的不断崛起中，GPU作为底层技术的支撑角色，正在给众多行业带来更多的可能性。
硬件光线追踪技术迈进移动端
在GPU市场发展如火如荼的今天，行业新老厂商纷纷入局，在追求产品性能与上市速度的赛道上卯足了火力。当中，GPU IP凭借技术密集度高、成本效益高、可重复利用等特点扮演着越来越重要的角色，越来越多的行业厂商借助成熟的IP提升芯片性能，降低设计难度和成本，加快产品上市时间。
在此行业趋势和发展背景下，行业领先的半导体IP供应商——Imagination Technologies（下文简称：Imagination）近日在上海举行了Imagination GPU新技术暨IP新产品发布会，围绕其新产品和新技术，深度探讨了在GPU技术创新与塑造新型产业格局的发展趋势下，新一轮的突破和革新。
11月4日，Imagination推出了旗舰款GPU IP产品——IMG CXT，同时其PowerVR Photon光线追踪架构也随该IP首次亮相。通过增加Photon硬件光线追踪功能，IMG CXT实现了GPU IP的又一次重大飞跃，能够为包括游戏在内的众多图形处理应用场景提供超高的性能保障。
据Imagination中国区战略市场与生态副总时昕博士介绍：“Photon架构代表了十年来推动光线追踪在低功耗设备上应用的发展成果，是目前业界最先进的光线追踪架构，在视觉效果可能性方面，可以为移动和嵌入式应用带来桌面级质量的视觉效果，L4级别的GPU硬件光线追踪解决方案相比L1级别软件方案有百倍以上的性能功耗比提升，游戏玩家的体验和电池续航时间将得到大幅度完善。目前该技术已对数个市场客户进行了授权。”
光线追踪技术被称为计算机图形领域中的”圣杯”，对于业内从事相关产品设计或仿真工作的工程师而言并不陌生。在现实世界中，当光照射到物体表面时，光线会以各种方式反弹、分散和反射，直至最终到达我们的眼睛，正是这种复杂的交互作用创造了我们的现实“视界”。在传统的图形渲染（光栅化处理）中，光照贴图和阴影贴图是经过预先计算好，然后应用到场景中以模拟场景外观。而光线追踪是一种渲染技术，可以精确地追踪场景中光线的路径，相比光栅化技术，它可以渲染出可信且具有更高真实感和保真度的反射、折射、阴影和光照效果。
可以简单理解为，光线追踪通过模拟真实世界中光线的表现，可以使图形真实感达到跃升式变化，创造出与现实生活几乎无异的3D场景。
追溯其发展历程可见，Imagination在10年前开创了硬件加速光线追踪技术之先河，然而由于其计算的复杂性，光线追踪也只是应用在台式机和游戏机上。而现在则通过全新的Photon架构将光线追踪扩展至移动市场，移动开发者和游戏玩家现在也能够利用这种渲染技术和全面的硬件加速功能。
在移动端，由于采用传统的光栅化方法在智能手机游戏中“伪造”阴影和反射的成本变得非常高昂，比如在常见游戏引擎中，反射是使用级联阴影贴图生成的，这需要多次渲染屏幕中的几何体，并将阴影贴图查找表写入存储器中，所有这些操作都会消耗周期和带宽，并产生大量的GPU和系统功耗。对此，Imagination在高效光线追踪方面实现的创新将先进的3D图形处理功能引入移动设备，为移动图形处理行业创造了一种全新的能力，实现将逼真的图形内容带入到移动设备中的愿景，进而推动智能手机的新变革。
时昕博士指出：“Photon架构的主要特点是RAC（光线加速集群），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。”
RAC是一种新的低功耗专用硬件GPU组件，相比效率较低的光线追踪架构，它可以加速和卸载更多来自着色器内核的光线追踪计算。可以为开发人员提供比市场上的现有解决方案更强大、更具一致性的光线追踪性能，从而支持他们在渲染汽车、角色和地形等复杂表面时提供更优质的效果，并创建出更细致的环境。
IMG CXT-48-1536 RT3 内核具有三个光线加速集群（RAC），可提供总体高达1.3 GRay/s的性能，即使在移动设备低功耗的情况下，也能以1080P分辨率实现高达60FPS的实时光线追踪渲染，满足日常游戏高端需求。
随着光线追踪技术在各种图形处理应用中变得越来越重要，Imagination在2020年推出了一套光线追踪等级系统（Ray Tracing Levels System），其中包括6个等级（Level 0-Level 5）。
0级：传统解决方案
1级：传统图形处理器（GPU）软件
2级：硬件中的光线/包围盒和光线/三角形测试器
3级：硬件中的层次包围盒（BVH）处理
4级：硬件中的BVH 处理和相干性分类
5级：硬件中使用场景层次生成（SHG）进行相干性BVH 处理
Imagination技术前瞻副总裁 Kristof Beets表示，该等级分类用以解释不同光线追踪解决方案所提供的卸载数量和质量，有了这个系统，开发人员和OEM厂商就可以更清晰地了解现在和未来可用的光线追踪加速解决方案的功能，以及各种光线追踪实现方式之间的差异。
IMG CXT采用的Photon架构处于RTLS的4级（Level 4），是当前业内可用的最先进的光线追踪技术，为开发人员提供了一个专门用于加速光线追踪的硬件组件，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。据透露，Imagination早在2016年就已经能够实现Level 5级的光线追踪技术，由于考虑到产业技术配套和市场平衡等方面原因，希望在一定的功耗预算下给移动用户带来更好的体验，几年来一直在优化这个技术，本次Level 4的Photon架构率先亮相。
此外，在光栅化图形处理性能方面，IMG CXT也向前迈出了重要一步，与上一代GPU IP相比，其计算、纹理和几何性能都提高了50%。它的低功耗超标量（superscalar）架构可在低时钟频率下提供高性能，从而实现卓越的帧率功耗比（FPS/W）效率，同时 Imagination图像压缩（IMGIC）技术可以大幅降低带宽需求。
另外我们还发现，Imagination的优势还体现在其多核GPU架构方面，例如在提供更高算力的同时保持成本可控，将芯片做得更小以提升良率等。值得注意的是，其多个GPU内核既可以独立工作，也可以部分甚至全部组合在一起工作，以高度的灵活性来应对各种需求不同的应用。
得益于Imagination的多核技术，Photon架构除了为移动设备和汽车等应用提供光线追踪功能外，还可以扩展应用于云、数据中心、XR及桌面市场。这可以实现高达9 TFLOPS（每秒万亿次浮点运算）的FP32光栅化性能和超过7.8 GRay/s的光线追踪性能，同时能够提供比当今的RTLS 2/3级光线追踪解决方案高2.5倍的功耗效率。
可以看到，处理效率的级进变化，实现了光线追踪的更高功率、性能和带宽效率，对于在要求较高持续游戏性能的移动端（且设备不会过热，并且在合理的带宽预算范围内）交付光线追踪而言，具有十分重要的作用。而且，对于热约束的PC和服务器/云端解决方案而言，同样至关重要。
不断押注中国市场
领先的技术水平自然会推动市场业绩的快速增长。据了解，Imagination 2020年营收达到1.25亿美元，同比增长44%。2021年上半年营收同比增长更是高达55%，达到7600万美元。
对于公司之所以能够取得如此强势的增长，Imagination公司副总裁，中国区总经理刘国军表示，2021上半年，Imagination签署了超过35项授权协议，涉及汽车、数据中心和桌面、移动及数字电视等领域。目前在智能手机GPU领域，Imagination拥有37%的市场份额，同时是汽车行业最大的GPU供应商，市场份额高达45%，使用Imagination GPU IP的汽车芯片出货量已超过2.5亿颗。
能够看到，Imagination在移动和汽车等主要的战略细分市场上实现了广泛增长的同时，在数据中心和桌面等新晋领域，Imagination的高性能 A系列和 B系列 GPU产品已表现出了巨大的吸引力，并通过这些细分市场的客户实现了显著的收入增长。再结合本次IMG CXT的发布，Imagination在研发上不断投入以保持快速的技术开发和产品上市步伐，持续的满足和引领市场及客户需求，也是其实现快速增长的重要原因。
强劲的业绩表现背后，除了领先的技术水平和专注于正确的细分领域外，对中国市场的持续优化和布局也是其取得快速增长的关键所在。Imagination中国区董事长白农强调：“公司非常注重打造产业生态，在中国，Imagination除了和展锐、芯驰科技、赛昉等半导体企业合作外，还和腾讯（包括腾讯游戏和腾讯WeTest质量团队）、百度（百度飞桨PaddlePaddle）、完美世界游戏等平台、应用厂商展开合作。”
此外，Imagination还和Linux基金会合作共同推动中国客户实现桌面和数据中心应用；面对增长越来越快的算力需求，成立科学实验室（IMG Labs），在架构、工艺和算力方面持续进行研究；与北京大学、浙江大学等知名高校在课程、教学资源和教师培训方面进行支持与合作，实现了生态的进一步扩展和创新。
白农表示，中国市场对Imagination整体的贡献将会超过1/3，且业务增速更是在公司整体平均值之上。接下来，Imagination还将继续加大在中国市场的投入和资源，从以销售为主导转向以市场为主导，积极主动去做市场布局，深入了解市场需求，与客户建立更战略性的合作关系。同时在产品路线图规划上，Imagination也会加大在业务和资源支持方面的创新和投入力度，继续将重点放在上述领域，以及当前进行了产品授权的其他领域，如数字电视和可穿戴设备等。除了目前的GPU、AI和连接IP之外，还将推出新的IP，例如针对上述细分市场的RISC-V处理器。进一步满足对结合GPU、CPU和AI处理器的异构解决方案的需求。
Imagination将持续重点关注中国市场的趋势变化和行业走向，在不断积累、优化已有市场的布局之外，未来，Imagination很可能进入中国的其他新领域，如工业或医疗健康领域等，以技术创新和产品优势推动多行业不断向前迈进。
写在最后
在多年的行业经验与市场沉浮中，Imagination深谙以技术创新为核心驱动，持续完善生态布局，提升竞争实力，助力客户实现GPU新格局。
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