CPU渲染和GPU渲染優(yōu)劣分析

使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行渲染時(shí)，有兩種流行的系統(tǒng)：基于中央處理單元 (CPU) 或基于圖形處理單元 (GPU)。CPU 渲染利用計(jì)算機(jī)的 CPU 來執(zhí)行場(chǎng)景并將其渲染到接近完美。這也是執(zhí)行渲染的更傳統(tǒng)方式。然而，隨著 GPU 的出現(xiàn)，基于 GPU 的渲染獲得了很大的普及。這些 GPU 是特定用途的芯片，在某些情況下提供與 CPU 渲染相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。從廣義上講，GPU 渲染允許同時(shí)運(yùn)行更多的并行進(jìn)程，這使其速度更快，但它可以執(zhí)行的任務(wù)數(shù)量有限。因此，在渲染具有許多對(duì)象的大型、詳細(xì)場(chǎng)景時(shí)，它就沒有那么強(qiáng)大了。另一方面，CPU 渲染不允許并行進(jìn)程，但它可以執(zhí)行更多不同的任務(wù)，從而呈現(xiàn)更多細(xì)節(jié)。Mythbusters 的演示中展示了兩種渲染類型之間的區(qū)別。

在本文中，我們將研究 CPU 和 GPU 渲染，指出它們的區(qū)別，并考慮它們最適合什么，以便您可以根據(jù)您的目標(biāo)和可能性看到哪個(gè)選項(xiàng)可能更方便。

什么是渲染？

渲染是使用計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序從 2D 或 3D 模型生成最終圖像的過程。渲染過程就像一幅畫的最終著色。最初，這幅畫從簡(jiǎn)單的素描開始，當(dāng)藝術(shù)家為畫作添加顏色和紋理時(shí)，它最終變得栩栩如生。類似地，在渲染中，原始模型被賦予所有微小的細(xì)節(jié)，例如紋理、光照和攝像機(jī)角度，直到我們得到最終輸出。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的渲染由系統(tǒng)中的 CPU 或 GPU 執(zhí)行。有時(shí)，在混合設(shè)置中，例如使用 V-Ray 等軟件，CPU 和 GPU 一起工作以創(chuàng)建最終輸出。了解這兩種類型的渲染將有助于評(píng)估它們之間的差異。

所以，讓我們先看看基于 CPU 和 GPU 的渲染是什么，然后我們將討論區(qū)分它們的特性。

CPU 渲染：基礎(chǔ)知識(shí)

CPU 渲染引擎提供了更多功能來微調(diào)場(chǎng)景中的各種參數(shù)

如今，一個(gè) CPU 構(gòu)成了運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)的多個(gè)高功率內(nèi)核。這些內(nèi)核以高頻率運(yùn)行，使它們能夠以非常快的速度執(zhí)行操作。此外，核心數(shù)越多，渲染性能越好?，F(xiàn)代 CPU 擁有多達(dá) 64 個(gè)內(nèi)核，可提供出色的渲染性能。CPU 渲染還受益于它可以訪問板載隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM) 的事實(shí)。這允許用戶相對(duì)輕松地渲染具有大量數(shù)據(jù)的場(chǎng)景。CPU 渲染也以其渲染質(zhì)量而聞名。例如，皮克斯使用CPU 渲染，因此其電影的視覺質(zhì)量非常出色。CPU 渲染具有優(yōu)勢(shì)的一個(gè)很好的例子是架構(gòu)設(shè)計(jì)。如果要?jiǎng)?chuàng)建具有許多復(fù)雜幾何形狀和微小細(xì)節(jié)的場(chǎng)景，CPU 渲染的好處將提供更好和更準(zhǔn)確的結(jié)果。

GPU 渲染：基礎(chǔ)知識(shí)

GPU 讓預(yù)算有限的用戶更容易獲得渲染

GPU 有數(shù)千個(gè)以相對(duì)較低的時(shí)鐘速度運(yùn)行的小內(nèi)核。在這種情況下，正是這些核心的數(shù)量讓 GPU 能夠提供強(qiáng)大的渲染性能。GPU 本質(zhì)上被設(shè)計(jì)為以并行方式運(yùn)行任務(wù)。這使它們比 CPU 更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殇秩臼且豁?xiàng)通常涉及許多元素的任務(wù)。因此，GPU 以其極快的渲染時(shí)間而聞名。快速渲染允許 GPU 實(shí)時(shí)處理圖形，這就是為什么您會(huì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代視頻游戲使用 GPU 運(yùn)行起來更加流暢。與游戲行業(yè)一起，GPU 已經(jīng)徹底改變了加密、大數(shù)據(jù)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域。GPU 渲染在許多領(lǐng)域逐漸普及，正在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的 CPU 渲染系統(tǒng)。Autodesk 的 Arnold 推出了他們的GPU 渲染引擎，認(rèn)識(shí)到其巨大潛力。

盡管對(duì)差異的概述有助于更清楚地了解每個(gè)系統(tǒng)，但 CPU 和 GPU 的各種獨(dú)特功能也值得了解。

CPU 與 GPU：差異

設(shè)計(jì)

Threadripper 3990x等功能強(qiáng)大的 CPU幾乎有 64 個(gè)內(nèi)核（而普通 PC 有 4 到 8 個(gè)內(nèi)核）。與 GPU 內(nèi)核相比，這些內(nèi)核的數(shù)量可能更少，但它們更高的時(shí)鐘頻率使它們能夠更快地運(yùn)行任務(wù)。對(duì)于渲染，更高的核心數(shù)通常更好。

相比之下，GPU 擁有數(shù)千個(gè)內(nèi)核——在Nvidia RTX 3090的情況下為 10,496 個(gè)。然而，這些內(nèi)核的時(shí)鐘頻率比 CPU 低得多。只有絕對(duì)數(shù)量的內(nèi)核才能彌補(bǔ)它們的速度，并且在某些渲染場(chǎng)景中，GPU 才能勝過 CPU。

質(zhì)量

與 GPU 相比，CPU 具有更少的內(nèi)核，但它們的通用性要高得多，并且旨在執(zhí)行復(fù)雜的指令集。這使得 CPU 可以毫不費(fèi)力地運(yùn)行幾乎任何算法，從而提供更好的質(zhì)量結(jié)果。在質(zhì)量方面，GPU 無法與 CPU 匹敵。您通常會(huì)發(fā)現(xiàn) GPU 渲染中的噪點(diǎn)更多。

內(nèi)存優(yōu)勢(shì)

CPU 可以訪問系統(tǒng)內(nèi)存。這使他們可以使用大量?jī)?nèi)存，這些內(nèi)存可以升級(jí)。Threadripper 3990x 可以支持 512 GB 的 DDR4 RAM。這使 CPU 能夠在具有許多對(duì)象和細(xì)節(jié)的復(fù)雜場(chǎng)景中渲染大量數(shù)據(jù)。GPU 受到其內(nèi)置視頻 RAM (VRAM) 的限制。最新的 Nvidia 3090 只有 24 GB 的 VRAM，這對(duì)于大多數(shù)用戶來說已經(jīng)綽綽有余，但在元素眾多的復(fù)雜場(chǎng)景中，它可能會(huì)成為瓶頸。復(fù)雜場(chǎng)景CPU可以通過設(shè)計(jì)處理各種任務(wù)。這在工作類型不一致或一次處理的工作量太多的工作負(fù)載中很有用。GPU 主要受其硬件能力的限制。它們的設(shè)計(jì)目的單一，通常用于重復(fù)運(yùn)行相同的任務(wù)。此外，RAM 限制加上較慢的內(nèi)核限制了它們有效渲染各種場(chǎng)景的能力。

穩(wěn)定

不同的渲染系統(tǒng)，不同的質(zhì)量

CPU 內(nèi)置于系統(tǒng)中并與系統(tǒng)良好集成。所有應(yīng)用程序的構(gòu)建都考慮了操作系統(tǒng)核心的 CPU。并且由于 CPU 用于渲染的時(shí)間很長(zhǎng)，因此大多數(shù) bug 已被修復(fù)。當(dāng)您使用 CPU 進(jìn)行渲染時(shí)，這本質(zhì)上會(huì)帶來更好的整體系統(tǒng)穩(wěn)定性。

GPU 更容易出現(xiàn)故障。突然的電源波動(dòng)、驅(qū)動(dòng)程序更新以及與某些系統(tǒng)缺乏兼容性，都會(huì)導(dǎo)致 GPU 性能不佳和不穩(wěn)定。

速度

GPU 并行運(yùn)行任務(wù)，這通常會(huì)提高速度，因?yàn)榭梢酝瑫r(shí)渲染場(chǎng)景的各種元素。這會(huì)導(dǎo)致更快的周轉(zhuǎn)并有助于重復(fù)過程。GPU 也主要用于需要實(shí)時(shí)渲染的領(lǐng)域（如視頻游戲）。CPU 的內(nèi)核較少，旨在按順序運(yùn)行任務(wù)。因此，它們通常比 GPU 慢。CPU 的資源可用性也受到限制。由于它必須執(zhí)行許多任務(wù)，CPU 不能僅將其所有硬件都用于渲染。這也導(dǎo)致速度較慢。定期改進(jìn)隨著我們（似乎）接近摩爾定律的極限，每一代新一代 CPU 之間的飛躍似乎都在放緩。隨著時(shí)間的推移，這可能會(huì)導(dǎo)致性能停滯不前，甚至可能導(dǎo)致 GPU 不斷改進(jìn)。最近，我們看到 GPU 創(chuàng)新出現(xiàn)了驚人的飛躍，AMD和Nvidia等公司都在該領(lǐng)域展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。GPU的創(chuàng)新周期肯定比CPU快。而且由于升級(jí) GPU 要容易得多，因此您可以期待每一代新一代的渲染性能都會(huì)提高。硬件成本與性能級(jí) CPU 相比，GPU 接近價(jià)格范圍的低端。一個(gè)好的 GPU，比如RTX 3090，可以花費(fèi)大約 1500 美元，而像Threadripper 3990x這樣強(qiáng)大的 CPU 的價(jià)格是 5000 美元。GPU 還在升級(jí)方面為您提供優(yōu)勢(shì)。您只需將另一個(gè) GPU 連接到您預(yù)先存在的設(shè)置，就可以了。當(dāng)您希望使用 CPU 進(jìn)行升級(jí)時(shí)，除了 CPU 的成本之外，您可能還需要投資購買更多兼容的硬件。渲染引擎

渲染引擎是決定 CPU 和 GPU 渲染的另一個(gè)關(guān)鍵因素。許多渲染引擎僅在 CPU 或 GPU 上工作。因此，渲染引擎還決定了您可以在系統(tǒng)上運(yùn)行哪些渲染軟件。Arnold、Corona 和 3Delight 等渲染引擎在 CPU 上工作并產(chǎn)生稍高質(zhì)量的結(jié)果。同時(shí)，Blender Cycles、Octane 和 Redshift 等渲染器針對(duì) GPU 進(jìn)行了優(yōu)化。渲染硬件

平衡的渲染設(shè)置對(duì)于獲得最佳性能至關(guān)重要

設(shè)置系統(tǒng)硬件的方式也會(huì)影響渲染性能。也許一個(gè)好的 CPU 會(huì)比幾十個(gè) GPU 做得更好，或者你可以為你的工作流使用一個(gè)帶有強(qiáng)大 GPU 的基本 CPU。這可以通過一些硬件基準(zhǔn)來評(píng)估。判斷渲染性能的兩種流行方法是用于 CPU 渲染的Cinebench和用于 GPU 渲染的Octanebench 。它們都是業(yè)內(nèi)最好的基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)CG Director 的基準(zhǔn)測(cè)試，具有更高時(shí)鐘速度的多核 CPU 是您工作流程的更好選擇。在Octanebench 基準(zhǔn)測(cè)試中，根據(jù)其渲染分?jǐn)?shù)、性能和價(jià)格對(duì)各種 GPU 進(jìn)行比較。

結(jié)論

因此，即使有很多需要考慮，我們也可以根據(jù)您的需要總結(jié) CPU 和 GPU 渲染之間的差異：如果您的工作流程需要速度、復(fù)雜性較低并且在工作中保持一致，那么 GPU 渲染設(shè)置會(huì)對(duì)您有好處。除了降低硬件成本外，工作質(zhì)量與 CPU 渲染不相上下。GPU 渲染也會(huì)以更好的方式適合初學(xué)者的個(gè)人資料。

如果你是一個(gè)優(yōu)先考慮質(zhì)量的人，在硬件上花費(fèi)的預(yù)算更大，并且可以等待質(zhì)量結(jié)果，那么 CPU 渲染就是要走的路。您不僅將從渲染質(zhì)量中受益，而且輕松處理復(fù)雜場(chǎng)景的能力將為您帶來競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。