GPU变革 | 实时光线追踪迈入硬件移动端

文︱郭紫文

图︱Imagination

《圣经·旧约》中有言：“上帝说，要有光，于是，便有了光。”世界便于此刻初露雏形。“现在，我们要创造一个全新的虚拟世界，第一个需要的东西也是光。”Imagination中国区战略市场与生态副总裁时昕如是说。事实上，Imagination的追光之旅已经走过了很长一段路程。早在2010年，Imagination便开始涉足光线追踪领域，并于2014年在游戏开发者大会上展示了其PowerVR Wizard GPU架构，开创了GPU架构实时光线追踪的先例。

如今，Imagination又引领光线追踪架构走进移动端，发布了光线追踪GPU“IMG CXT”，在移动端实现桌面级视觉效果。此外，Imagination还重磅推出光线追踪架构PowerVR Photon，并融入到C系列GPU之中。正如时昕所说，这是一个历史性、革命性的时刻，是移动GPU的一次巨大飞跃。

为移动端注入“光”

“Imagination在光线追踪方面大概有10年左右的历史了。”据时昕介绍，2014年已经有芯片通过测试，采用了28nm制程工艺，功耗也是做到了个位数。当时的光线追踪硬件与该公司Plato系列放在一起做。然而，当时整个业界生态还没有准备好，图形API标准中甚至找不到光线追踪的身影，相关开发工具软件、游戏引擎等也不具备光线追踪功能。再好的技术，缺乏了市场的支持，没有完整生态的支撑，也难以长期走下去。

在时昕看来，从2021年起，整个业界都在大力投入光线追踪技术，完善其生态系统。后疫情时代的“宅经济”引发了一场远程办公、居家娱乐的浪潮；元宇宙概念大火，VR／AR进入高速发展期。因此，在网络中达到“目之所及，尽是真实”也成为产业数字化的一个方向。苦生态久矣的光线追踪终于迎来了发展良机。

本次发布的IMG CXT GPU，是Imagination C系列GPU IP。相较于上一代GPU，性能和能效比整体大幅度提升，计算、纹理和几何性均提高了50％。据时昕介绍，从CXT简单指标来看，“每核心FP32算力可达到1．5TFLOPS，每秒可做48G像素、纹理运算，每秒可计算13亿条光线的折射、反射。同时，每秒可做48G BoxTest，如果做AI定点运算每秒可达6TOPS。”此外，IMG CXT内核配置了三个光线加速集群（RAC），可提供总体高达1．3GRay／s的单核性能。

IMG CXT性能参数

“2014年，我们发布的GPU还是用数字命名的，”……“比起当时6XT GPU，到现在C系列这款GPU，已经整整更新了六代架构。” Imagination Technologies资深产品管理总监Kristof Beets表示，这六代架构的更新带来了GPU算力、管线、性能、效率和功耗控制等方面的大幅度提升。

Ray Tracing OFF（左）vs． Ray Tracing ON

如Kristof Beets所说，A系列在技术上是一次飞跃，其以更高算力密度、更低功耗、更优秀的渲染能力为Imagination奠定了坚实基础。而B系列则以多核叠加的方式将其在移动端高性能、低功耗的表现延伸至其他平台，例如PC、云计算、云游戏等。

然而在A系列、B系列GPU上实现移动端光线追踪，将面临着巨大的挑战。核心数量无法无限堆叠，功耗和热管理受到的限制也难以突破，暴力的核心堆叠已经无法满足电子产品图像处理的具体需求。因此，具有光线追踪功能的C系类GPU IP为此而生。在传统的复杂场景中，反射、阴影、全局光照等光照效果都要利用着色器来完成渲染，需要耗费大量的资源和功耗。而Imagination将光线追踪处理单元单独硬件化，着色器的渲染工作将分流至专用光线追踪硬件中，由光线追踪的部分来完成，功耗、能效比从而得到进一步优化。

为光线追踪技术立标准

根据新闻稿中的描述，本次推出的光线追踪GPU是“业界首款RTLS 4级光线追踪GPU架构”。关于这个光线追踪等级系统（RTLS），Kristof Beets解释道：“这是Imagination自己提出的光线追踪分级系统，目前还不是行业标准，但我们希望未来它可以成为行业的标准。”时昕也表示，参考自动驾驶，对光线追踪技术进行分级，更有利于广大用户理解技术上的差异。

光线追踪等级系统（图源：Imagination白皮书）

按照Imagination的等级系统，光线追踪共划分为六个等级（L0～L5）。“通过硬件加速来实现具有完整动态和实时的光线追踪一直是许多公司的长期目标。”然而在L0级别，由于光线追踪光线追踪技术和市场碎片化严重，技术兼容性和可用性很差，无法大量推广和应用。英特尔Embree内核与Caustic OpenRL也是早期的突破性尝试，但最终仍以失败告终。

L1级则以现有的图形和计算API为过渡，解决光线追踪缺乏生态系统和兼容性的难题。这一级别的光线追踪是通过GPU上的软件来实现的，在一定程度上能够拓宽技术使用范围和可用性。例如Microsoft提供的DXR仿真。

“在性能、电源效率和带宽效率方面，软件本质上会迅速落后于专用和经过调整的硬件解决方案。”因此，自L2开始，GPU架构中逐渐加入面向光线追踪的硬件处理单元。将Ray－box和Ray－triangle以固定单元放入GPU架构中，大幅提高了处理计算效率，也为实时光线追踪铺下了基础。

Ray－box和Ray－triangle

“L2加入了与物体相交的光线，L2到L3把光线遍历、追踪和监控算法都通过专用的硬件来实现。到L4，将会有10亿条光线，经过分组、一致性检测，最后交由硬件去计算。”按照时昕的说法，从L2到L5，GPU架构中的光追硬件单元越来越多。L3增加了BVH（边界体积层次结构，Bounding Volume Hierarchy），L4则在此基础上增加了BVH处理和一致性排序（Coherency Sorting）功能。L5则更进一步在一致性BVH处理中增加场景层次生成器（Scene Hierarchy Generator）。

光线移动方向

产业生态与技术同等重要

“L5光线追踪技术会把更多的计算资源或工作负载，从原有的GPU渲染器或着色器转移至光线追踪专用硬件上来，省下更多资源去做其他动态图像渲染，因此整体功耗更低。”据Kristof Beets介绍，Imagination的光线追踪技术目前已经能够达到Level 5水平。然而，由于缺乏市场生态，Imagination决定先推出Level 4，也就是本次发布的C系列GPU产品。“如果我们成为市场上唯一一家直接拉到L5等级的光线追踪硬件供应商，会让市场没有做好准备，不会有多少开发者来开发相应的应用。”由此也可以看出，市场生态的构建对于光线追踪技术的大规模普及至关重要。

面对今年业界掀起的元宇宙浪潮，Kristof Beets也表示，元宇宙仍处于起步阶段，而光线追踪很可能是彻底实现VR的路径之一。巨大的市场潜力之下，如何将光线追踪做得更高效、功耗更低也成为Imagination的目标。

“差异化、质量和速度是成功的关键，”Imagination中国区总经理刘国军（James Liu）表示，公司将与合作伙伴共同迎接挑战，持续引领光线追踪技术的创新发展。Kristof Beets也认为，“作为一家IP授权公司，保持敏捷性是非常重要的。”未来，Imagination仍将紧跟市场步伐，了解观察市场反馈，持续带来新的开发想法与改进架构和技术的手段。