淺談手機(jī)芯片的光線追蹤技術(shù)方案

曾經(jīng)，我們只能在PC或主機(jī)端體驗(yàn)到畫面細(xì)膩精致和流暢的3A游戲，而現(xiàn)在，手機(jī)廠商大力投入自研芯片，將光線追蹤等技術(shù)做到手機(jī)里，移動(dòng)GPU處理性能也越來越強(qiáng)勁。

ABI在2022年的調(diào)查顯示，手機(jī)游戲用戶會(huì)從26億增長(zhǎng)到2030年的39億，至2026年85%的游戲玩家首選在手機(jī)上玩游戲。顯然，光線追蹤成為手機(jī)征服玩家的利器。

縱觀當(dāng)前市場(chǎng)上的光線追蹤方案，針對(duì)PC端，英偉達(dá)最新發(fā)布的Ada Lovelace架構(gòu)，在光追方面做了不少重大更新；英特爾Arc Alchemist GPU 無論是光追功能還是游戲性能，都給足了玩家期待。 在移動(dòng)端，三星Exynos 2200 屬于較早落地的支持光追的手機(jī)，其采用了AMD RDNA 2 架構(gòu)；高通全新 Adreno GPU 加入了專門的移動(dòng)光線追蹤加速單元；同時(shí)以 Imagination、 ARM 為代表的芯片 IP 供應(yīng)商，陸續(xù)推出支持移動(dòng)光追的 GPU 架構(gòu)。其中 Imagination 的PowerVR Photon 架構(gòu)被稱為業(yè)界首個(gè)移動(dòng)端硬件級(jí)光追架構(gòu)，采用Photon架構(gòu)的IMG CXT GPU成為了首個(gè)在移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)桌面級(jí)視覺效果的GPU IP。其后一年內(nèi)ARM 也推出了其首款支持光追硬件加速的GPU IP。

目前來看，可真正落地的移動(dòng)端光追方案還在初期，但不管是 SoC 芯片商還是手機(jī)廠商，包括游戲開發(fā)商，都對(duì)在移動(dòng)端上實(shí)現(xiàn)光線追蹤躍躍欲試。就在今年1月初Imagination 宣布推出IMG DXT 系列 GPU，這款開創(chuàng)性的光追 GPU 將加速該技術(shù)的落地和普及，并應(yīng)對(duì)不斷增速的手機(jī)游戲市場(chǎng)。

應(yīng)對(duì)手機(jī)游戲的畫質(zhì)革命 現(xiàn)如今，手機(jī)游戲有三個(gè)趨勢(shì)值得重點(diǎn)關(guān)注：

其一，玩家對(duì)游戲沉浸感的體驗(yàn)要求越來越高；

其二，對(duì)手機(jī)性能要求越來越高，任何用戶都不可能喜歡在只有5~10幀的場(chǎng)景下游玩游戲；

其三，手機(jī)功耗引發(fā)的電量焦慮需要引起重視，一直在充電或者快速掉電對(duì)手機(jī)玩家來說都是不可接受的。

Imagination DXT系列GPU為滿足手機(jī)游戲需求，在設(shè)計(jì)之初便關(guān)注到了上述手機(jī)游戲趨勢(shì)。為了加快光線追蹤在移動(dòng)端的普及，推出了更具設(shè)計(jì)擴(kuò)展性的GPU。在IMG DXT圖形處理單元中引入了基于PowerVR Photon架構(gòu)的光線加速集群（RAC）的演變。DXT的重點(diǎn)是通過引入片段著色率（FSR）功能和增強(qiáng)的后處理技術(shù)來提高效率，同時(shí)改變布局，為光線追蹤提供可擴(kuò)展性和靈活性。

DXT系列GPU的三款產(chǎn)品面向三種機(jī)型：主流機(jī)更在意單位面積性能，高端機(jī)在于更高的性能實(shí)現(xiàn)，旗艦機(jī)追求更高性能和手機(jī)整體表現(xiàn)，Imagination提供不同的算力, 像素填充力和光線追蹤的可選RAC (Ray Acceleration Cluster)。

光線追蹤可以說是Imagination GPU IP的招牌技術(shù)之一，該技術(shù)可以讓3D游戲場(chǎng)景中的光照更加貼近真實(shí)生活中的折射和反射。但實(shí)現(xiàn)這樣的光線折射和漫反射卻需要很大的資源開銷，早期甚至高端的服務(wù)器也需要一定時(shí)間來“烘焙”這些畫面，而現(xiàn)在，對(duì)桌面級(jí)GPU渲染實(shí)時(shí)光追已不再是難題，Imagination推出的高效可擴(kuò)展光追技術(shù)使得主流手機(jī)也都能使用此項(xiàng)技術(shù)。

光線追蹤等級(jí) 并非所有形式的光線追蹤支持都是相同的?，F(xiàn)實(shí)情況是，任何具有計(jì)算能力的GPU都可以執(zhí)行光線追蹤，但它們之間的區(qū)別在于可以執(zhí)行光線追蹤的效率和可以達(dá)到的性能水平。因此，Imagination引入了光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)（RTLS）的概念，以突出各種等級(jí)光線追蹤的效率。

需要強(qiáng)調(diào)的是，Imagination提供的是第4級(jí)別的硬件級(jí)光線追蹤，且是可擴(kuò)展的高級(jí)光線追蹤技術(shù)。

在移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)光線追蹤并非易事，因?yàn)橐苿?dòng)端的能耗和運(yùn)算帶寬本身受到的限制就比較大，目前市面上絕對(duì)大多數(shù)光線追蹤都是L1、L2級(jí)別的。L1級(jí)別的光線追蹤是純軟件光線追蹤，需要消耗大量的CPU資源，L2級(jí)別的解決方案中具有判斷光線和物體邊框及三角形是否相交的檢測(cè)器，但所有其它RT處理仍保留在著色器代碼中，也就還需要額外的GPU計(jì)算資源，而到了 L3級(jí)以上都需要具有硬件BVH的分類、相關(guān)性的回溯處理等專門的光線處理模塊。Imagination的CXT和DXT系列提供的都是L4級(jí)別的光線追蹤。

當(dāng)然，需要強(qiáng)調(diào)的是游戲市場(chǎng)上存在一定誤區(qū)，很多人認(rèn)為只要是使用硬件光線追蹤，幀率一定會(huì)下降，游戲運(yùn)行一定會(huì)更慢，其實(shí)這是不正確的一種想法。因?yàn)楝F(xiàn)在游戲中或多或少一定都是用了傳統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行光影的渲染，哪怕不加任何新的光線追蹤效果，只是把原來的光影效果從傳統(tǒng)的渲染方式替換成實(shí)時(shí)光線追蹤，讓硬件承擔(dān)這部分的工作，從而使整體的運(yùn)算結(jié)果更快，讓幀率也更高。

集大成之作的性能飛躍 IMG DXT系列產(chǎn)品擁有6個(gè)關(guān)鍵技術(shù)值得關(guān)注：

Vulkan 片段著色率(FSR)：IMG DXT為 Vulkan 提供了片段著色率 (FSR-Fragment Shading Rate) 支持，為開發(fā)者帶來了性能上的裕量。FSR在盡可能不影響視覺質(zhì)量的前提下，減少了處理的片段數(shù)量，并大幅提高圖形性能。光線追蹤技術(shù)能很好地和FSR技術(shù)結(jié)合在一起，配合可擴(kuò)展RAC，可用更小的RAC實(shí)現(xiàn)這個(gè)場(chǎng)景下的游戲光追效果，為用戶帶來更好的沉浸式體驗(yàn)；

2D 雙速率紋理處理（Dual-RateTexturing）：在其紋理處理單元 (TPU) 中擁有創(chuàng)新的專利特殊模式，可為后處理效果創(chuàng)建“快速通道”。在使雙線性濾波性能幾乎翻倍的同時(shí)，最大程度地減少面積的增加并降低整體功耗。

提高紋理和計(jì)算性能：采用全新的著色器處理單元 (SPU) 設(shè)計(jì)。DXT GPU 每個(gè) SPU 的高端計(jì)算和紋理 (ALU/TPU) 性能提高 50% 以上，這要?dú)w功于全新的三重通用著色器集群（SPU）設(shè)計(jì)（3個(gè)ALU/TPU 單元），而以前的架構(gòu)只側(cè)重于雙USC設(shè)計(jì)（2個(gè)ALU/TPU單元）。

流水線數(shù)據(jù)主控器：改進(jìn)流水線后，當(dāng)前場(chǎng)景正在渲染時(shí)，無需任何間隙和等待，數(shù)據(jù)主控器現(xiàn)在就可以開始為下一個(gè) 3D 場(chǎng)景創(chuàng)建工作負(fù)載。在提高性能和能效的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)工作負(fù)載生成的流水線。

ALU 寄存器組性能翻番：統(tǒng)一存儲(chǔ)的改進(jìn)提升了 ALU 寄存器組的吞吐量。而且，IMG DXT GPU的ALU寄存器組數(shù)量是上一代的兩倍。

RISC-V固件處理器：長(zhǎng)期以來，Imagination的GPU一直得益于集成的固件處理器，實(shí)現(xiàn)了許多獨(dú)特的功能，如虛擬化，系統(tǒng)安全隔離等。DXT升級(jí)采用了在汽車系列中經(jīng)過芯片級(jí)驗(yàn)證的RISC-V CPU，同時(shí)性能提升了40%。因?yàn)楣碳幚砥魇抢L圖任務(wù)調(diào)度的核心，它的升級(jí)給DXT帶來了全方位的性能改進(jìn)。

Imagination的深謀遠(yuǎn)慮 與移動(dòng)端GPU相比，云游戲正在興起，那么移動(dòng)端的GPU和放在數(shù)據(jù)中心中的GPU到底會(huì)是什么關(guān)系？

Imagination 公司技術(shù)產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)Stephen Barton認(rèn)為，Imagination其實(shí)也有相應(yīng)的產(chǎn)品，比如B系列的多核系列產(chǎn)品，具有虛擬化的技術(shù)，可以八核對(duì)應(yīng)8個(gè)以上的玩家，都享受到服務(wù)器端的運(yùn)算能力，這樣可以讓大家在自己的設(shè)備玩到以服務(wù)器的運(yùn)行性能跑出來的游戲畫面表現(xiàn)和品質(zhì)。

設(shè)備端GPU的使用方式與本地跑游戲不同，會(huì)是用一種流式傳輸，更像是放視頻的方式，在這種情況下有一個(gè)問題在于大家不想去用非常高分辨率的原始畫質(zhì)傳輸?shù)绞殖衷O(shè)備上，無論是帶寬、流量還是流量費(fèi)用都會(huì)成為一個(gè)比較大的負(fù)擔(dān)，會(huì)影響到云游戲的發(fā)展。云游戲中本地設(shè)備上的GPU可能有些新的應(yīng)用場(chǎng)景，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器把一個(gè)較低分辨率的游戲內(nèi)容傳到設(shè)備上，設(shè)備GPU負(fù)責(zé)把這個(gè)畫面進(jìn)一步處理，能夠在高分辨率屏幕上看起來也沒有那么低的畫質(zhì)，這是未來云游戲在GPU方面產(chǎn)生的變化。

Imagination 公司首席營(yíng)銷官David Harold認(rèn)為，很多技術(shù)路線都還沒有明確哪一種會(huì)成為最終的贏家，云游戲也是一樣的。GPU應(yīng)用在云游戲中有多個(gè)方向可以發(fā)展，比如大家最常見、認(rèn)可最多的云游戲方式就是在本地部署一個(gè)輕量級(jí)的設(shè)備，服務(wù)器端有比較強(qiáng)力的運(yùn)算能力，通過這種方式進(jìn)行云游戲，但事實(shí)上我們也可以把GPU升級(jí)部署在本地或者部署在邊緣節(jié)點(diǎn)，可以是在手機(jī)和云端同時(shí)具有一個(gè)鏡像規(guī)格的GPU配對(duì)，從而進(jìn)一步加強(qiáng)云游戲的體驗(yàn)，這也都是可能的。

關(guān)鍵的一點(diǎn)是，無論是GPU、AI還是其它的云計(jì)算等等方面，都要有相應(yīng)的技術(shù)儲(chǔ)備，比如云計(jì)算的過程中的數(shù)據(jù)傳輸需要應(yīng)用到壓縮的算法，這樣的技術(shù)儲(chǔ)備我們做好了，無論這項(xiàng)技術(shù)在市場(chǎng)上怎樣發(fā)展，我們都有相應(yīng)的機(jī)會(huì)抓住。

簡(jiǎn)單解釋來說，就是移動(dòng)端GPU和數(shù)據(jù)中心GPU將會(huì)是協(xié)同的向上的，同時(shí)Imagination也在兩方面均有布局。

值得一提的是，Imagination一直持續(xù)深耕中國(guó)市場(chǎng)，據(jù)Imagination 公司副總裁兼中國(guó)區(qū)總經(jīng)理劉國(guó)軍介紹，在中國(guó)生態(tài)建設(shè)上，不僅包括整機(jī)廠商，還包括各大游戲廠商；公司的生態(tài)團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)周期性、規(guī)律性地舉辦各種培訓(xùn)以及會(huì)議，與主流游戲廠商，GPU相關(guān)開發(fā)者面對(duì)面或線上交流。

編輯：黃飛

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