Imagination在線課程上新！深入解讀業界首個移動端光線追蹤GPU架構

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

眾所周知，自3D圖形開始以來，使用光線追蹤進行實時渲染一直是目標。這是因為通過模仿光線在現實世界中的行為，光線追蹤有可能創建比傳統光柵化更準確、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，更精確的照明可以創建更自然的陰影和反射，這有助于將角色和物體融入3D場景。它可以使所有內容看起來更漂亮，并且不那么“游戲化”，使游戲更接近我們習慣在電影中看到的圖形質量。

在游戲之外，光線追蹤有望改變家居設計和建筑等領域的3D可視化。想象一下，去陳列室設計你完美的廚房。現在，您不再需要等待逼真的3D渲染——這一切都可以實時完成，甚至可以在手機或平板電腦上完成。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量來增強真實感。

不單單是游戲玩家喜歡更逼真的視覺效果，對于開發人員來說，光線追蹤提供了更簡單、更高效的工作流程，進而節省了他們的時間。作為一種更純粹、更優雅的照明方法，光線追蹤的概念早于光柵化，但由于其計算復雜性，直到近些年才在大型、嘈雜和強大的臺式機的最新硬件上使用。不過，這些顯卡板在遠遠超出低功耗、移動優化設備的實際功率范圍內運行，因此這些芯片制造商聲稱手機尚未準備好進行光線追蹤也就不足為奇了。

幾年前（約2015年左右），業界甚至認為3D圖形根本無法在移動設備上完成。但是，移動端一直是Imagination擅長的領域。我們基于分塊的延遲渲染（TBDR） 方法開啟了智能手機革命，即使在壽命和熱性能限制非常嚴格的設備中，也能實現強大的 3D 圖形。TBDR 完全消除了即時模式渲染器的低效過度繪制問題：耗費大量時間為像素著色，而這些像素隱藏在靠近相機的物體后面，是以用戶在屏幕上永遠不會看到這些像素。IMG CXT則代表了PowerVR TBDR架構的演進巔峰，同時引入了移動圖形發展的下一階段：光線追蹤。

移動光線追蹤的到來

經過十年的創新開發工作，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，重要的是要意識到CXT是相比于傳統光柵化的超快GPU。它建立在我們的A系列和B系列GPU的基礎上，這些GPU采用了超寬ALU，優化的紋理處理單元，可配置的緩存大小和改進的壓縮算法，與前幾代相比，在功耗、性能、面積和帶寬（PPAB）效率方面實現了重大飛躍。

B系列GPU實現了諸多優化和改進，例如基于多核和小芯片，其靈活可擴展性特點可實現從嵌入式到桌面級的解決方案，還通過進一步的微架構調整和物理設計優化提高了計算效率。因此，B系列仍然是市場上用于光柵化的頂級GPU。

CXT則代表了我們的頂級設計，通過進一步的微架構調整，它提供了比上一代產品高出50%的幾何圖形和計算能力，同時引入了最新的圖形渲染，即光線追蹤。

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

由于光線追蹤仍然是一項計算成本非常高的技術，IMG CXT采用混合方法進行3D渲染。自2018年底以來，這已在臺式個人電腦市場上推出，不過Imagination早在2016年就基于其“Wizard”架構的“Plato”演示板上進行了首次運行演示。它于2014年第一次亮相，是第一個引入混合渲染概念的設計——將光線追蹤功能與傳統光柵化相結合。

光線追蹤等級系統

CXT是這種設計的演變，并具有Photon光線追蹤架構，該架構提供了許多專用于加速光線追蹤的硅模塊，比桌面級架構可能的方式更節能。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系統。這確定了六個級別的光線追蹤，從純軟件的0級到5級，并且由于Photon架構的光線加速集群，IMG CXT位于4級。如果您想深入了解Photon架構的更多信息，我們提供了一份詳細的白皮書，解釋了混合渲染的原理以及我們如何實現光線追蹤加速。

總而言之，RAC提供的硬件極大地加速了光線通過邊界框層次結構的遍歷，這是有效加速光線追蹤所必需的。獨一無二的是，它具有數據包相干收集單元，該單元可識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如何在移動功率預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，當談到可用的移動性能時，IMG CXT是市面上唯一的游戲玩家。

Photon架構白皮書

與我們之前的所有IP核一樣，CXT是汽車領域的絕佳解決方案，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雜的曲面（如汽車車身）時實現更高的效率，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現，因此無論應用程序是針對移動設備還是桌面，CXT都能夠支持它。這將有助于它為應用程序提供更逼真的陰影和反射，以及光線追蹤全局照明，以實現真正身臨其境的真實視覺效果。

多年來，我們一直期望游戲機和臺式PC上的圖形質量水平最終會應用到移動設備上，現在光線追蹤也是如此。這項技術已經進入市場開放授權，我們迫不及待地想看到這項技術到達每個人的手中。

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功能，以及它將為開發人員帶來的時間節省效率。

原文標題：為什么IMG CXT光線追蹤是移動端游戲規則的改變者

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