GPU迎來新突破:硬體實時光線追蹤技術全球首次邁進移動端

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據資料統計,2020年GPU行業規模為200億美元,預計2021年將增長15%。從2015年到2025年,GPU市場規模預計將從80億美元擴充套件到350億美元,年複合增長率達13%。

2015-2025年GPU市場規模趨勢(資料來源:AI芯天下)

從當前市場和技術趨勢發展來看,無論是近期大熱的元宇宙、雲遊戲,還是視覺化、資料中心、智慧汽車,以及桌面和移動終端等,都需要大量的高效能影象處理和渲染能力,對GPU提出了巨大的需求。因此,近年來呈現出GPU市場增速迅猛,蓬勃發展的態勢。

以當前火熱的元宇宙為例,作為虛擬世界和現實世界融合的載體,元宇宙中蘊含著遊戲、社交、辦公、內容等場景變革的巨大機遇,正在成為科技企業競相追逐的風口。元宇宙的誕生需要依賴多項底層技術的搭建與完善,最關鍵的部分在於其載體與內容,需要多項複雜的技術。GPU作為打造元宇宙的“數字底座”,為元宇宙建立提供基礎設施的構建和協作,依託GPU的影象處理技術繼續優化,幫助渲染元宇宙世界,提升元宇宙的真實場景式體驗。

不難發現,在傳統行業持續更迭與新興市場的不斷崛起中,GPU作為底層技術的支撐角色,正在給眾多行業帶來更多的可能性。

硬體光線追蹤技術邁進移動端

在GPU市場發展如火如荼的今天,行業新老廠商紛紛入局,在追求產品效能與上市速度的賽道上卯足了火力。 當中,GPU IP憑藉技術密集度高、成本效益高、可重複利用等特點扮演著越來越重要的角色,越來越多的行業廠商藉助成熟的IP提升晶片效能,降低設計難度和成本,加快產品上市時間。

在此行業趨勢和發展背景下,行業領先的半導體IP供應商——Imagination Technologies(下文簡稱:Imagination)近日在上海舉行了Imagination GPU新技術暨IP新產品釋出會,圍繞其新產品和新技術,深度探討了在GPU技術創新與塑造新型產業格局的發展趨勢下,新一輪的突破和革新。

11月4日,Imagination推出了旗艦款GPU IP產品——IMG CXT,同時其PowerVR Photon光線追蹤架構也隨該IP首次亮相。通過增加Photon硬體光線追蹤功能,IMG CXT實現了GPU IP的又一次重大飛躍,能夠為包括遊戲在內的眾多圖形處理應用場景提供超高的效能保障。

據Imagination中國區戰略市場與生態副總時昕博士介紹:“Photon架構代表了十年來推動光線追蹤在低功耗裝置上應用的發展成果,是目前業界最先進的光線追蹤架構,在視覺效果可能性方面,可以為移動和嵌入式應用帶來桌面級質量的視覺效果,L4級別的GPU硬體光線追蹤解決方案相比L1級別軟體方案有百倍以上的效能功耗比提升,遊戲玩家的體驗和電池續航時間將得到大幅度完善。目前該技術已對數個市場客戶進行了授權。”

光線追蹤技術被稱為計算機圖形領域中的”聖盃”,對於業內從事相關產品設計或模擬工作的工程師而言並不陌生。在現實世界中,當光照射到物體表面時,光線會以各種方式反彈、分散和反射,直至最終到達我們的眼睛,正是這種複雜的互動作用創造了我們的現實“視界”。在傳統的圖形渲染(光柵化處理)中,光照貼圖和陰影貼圖是經過預先計算好,然後應用到場景中以模擬場景外觀。而光線追蹤是一種渲染技術,可以精確地追蹤場景中光線的路徑,相比光柵化技術,它可以渲染出可信且具有更高真實感和保真度的反射、折射、陰影和光照效果。

可以簡單理解為,光線追蹤通過模擬真實世界中光線的表現,可以使圖形真實感達到躍升式變化,創造出與現實生活幾乎無異的3D場景。

追溯其發展歷程可見,Imagination在10年前開創了硬體加速光線追蹤技術之先河,然而由於其計算的複雜性,光線追蹤也只是應用在臺式機和遊戲機上。而現在則通過全新的Photon架構將光線追蹤擴充套件至移動市場,移動開發者和遊戲玩家現在也能夠利用這種渲染技術和全面的硬體加速功能。

在移動端,由於採用傳統的光柵化方法在智慧手機遊戲中“偽造”陰影和反射的成本變得非常高昂,比如在常見遊戲引擎中,反射是使用級聯陰影貼圖生成的,這需要多次渲染螢幕中的幾何體,並將陰影貼圖查詢表寫入儲存器中,所有這些操作都會消耗週期和頻寬,併產生大量的GPU和系統功耗。對此,Imagination在高效光線追蹤方面實現的創新將先進的3D圖形處理功能引入移動裝置,為移動圖形處理行業創造了一種全新的能力,實現將逼真的圖形內容帶入到移動裝置中的願景,進而推動智慧手機的新變革。

時昕博士指出:“Photon架構的主要特點是RAC(光線加速叢集),RAC包含了光線儲存(Ray Store)、光線任務排程器(Ray Task Scheduler)和相干性聚集器(Coherency Gatherer),並與兩個統一著色器叢集(USC)緊密耦合,USC擁有高速專用資料通路,可以實現最高效且功耗最低的光線追蹤部署。”

RAC是一種新的低功耗專用硬體GPU元件,相比效率較低的光線追蹤架構,它可以加速和解除安裝更多來自著色器核心的光線追蹤計算。可以為開發人員提供比市場上的現有解決方案更強大、更具一致性的光線追蹤效能,從而支援他們在渲染汽車、角色和地形等複雜表面時提供更優質的效果,並創建出更細緻的環境。

IMG CXT-48-1536 RT3 核心具有三個光線加速叢集(RAC),可提供總體高達1.3 GRay/s的效能,即使在移動裝置低功耗的情況下,也能以1080P解析度實現高達60FPS的實時光線追蹤渲染,滿足日常遊戲高階需求。

隨著光線追蹤技術在各種圖形處理應用中變得越來越重要,Imagination在2020年推出了一套光線追蹤等級系統(Ray Tracing Levels System),其中包括6個等級(Level 0-Level 5)。

  • 0級:傳統解決方案

  • 1級:傳統圖形處理器(GPU)軟體 

  • 2級:硬體中的光線/包圍盒和光線/三角形測試器

  • 3級:硬體中的層次包圍盒(BVH)處理 

  • 4級:硬體中的BVH 處理和相干性分類

  • 5級:硬體中使用場景層次生成(SHG)進行相干性BVH 處理

Imagination技術前瞻副總裁  Kristof Beets表示,該等級分類用以解釋不同光線追蹤解決方案所提供的解除安裝數量和質量,有了這個系統,開發人員和OEM廠商就可以更清晰地瞭解現在和未來可用的光線追蹤加速解決方案的功能,以及各種光線追蹤實現方式之間的差異。

IMG CXT採用的Photon架構處於RTLS的4級(Level 4),是當前業內可用的最先進的光線追蹤技術,為開發人員提供了一個專門用於加速光線追蹤的硬體元件,提升了光線追蹤的效能和效率,從而可為移動遊戲玩家和開發者提供桌面級質量的體驗。據透露,Imagination早在2016年就已經能夠實現Level 5級的光線追蹤技術,由於考慮到產業技術配套和市場平衡等方面原因,希望在一定的功耗預算下給移動使用者帶來更好的體驗,幾年來一直在優化這個技術,本次Level 4的Photon架構率先亮相。

此外,在光柵化圖形處理效能方面,IMG CXT也向前邁出了重要一步,與上一代GPU IP相比,其計算、紋理和幾何效能都提高了50%。它的低功耗超標量(superscalar)架構可在低時鐘頻率下提供高效能,從而實現卓越的幀率功耗比(FPS/W)效率,同時 Imagination影象壓縮(IMGIC)技術可以大幅降低頻寬需求。

另外我們還發現,Imagination的優勢還體現在其多核GPU架構方面,例如在提供更高算力的同時保持成本可控,將晶片做得更小以提升良率等。值得注意的是,其多個GPU核心既可以獨立工作,也可以部分甚至全部組合在一起工作,以高度的靈活性來應對各種需求不同的應用。

得益於Imagination的多核技術,Photon架構除了為移動裝置和汽車等應用提供光線追蹤功能外,還可以擴充套件應用於雲、資料中心、XR及桌面市場。這可以實現高達9 TFLOPS(每秒萬億次浮點運算)的FP32光柵化效能和超過7.8 GRay/s的光線追蹤效能,同時能夠提供比當今的RTLS 2/3級光線追蹤解決方案高2.5倍的功耗效率。

可以看到,處理效率的級進變化,實現了光線追蹤的更高功率、效能和頻寬效率,對於在要求較高持續遊戲效能的移動端(且裝置不會過熱,並且在合理的頻寬預算範圍內)交付光線追蹤而言,具有十分重要的作用。而且,對於熱約束的PC和伺服器/雲端解決方案而言,同樣至關重要。

不斷押注中國市場

領先的技術水平自然會推動市場業績的快速增長。 據瞭解,Imagination 2020年營收達到1.25億美元,同比增長44%。 2021年上半年營收同比增長更是高達55%,達到7600萬美元。

對於公司之所以能夠取得如此強勢的增長,Imagination公司副總裁,中國區總經理劉國軍表示,2021上半年,Imagination簽署了超過35項授權協議,涉及汽車、資料中心和桌面、移動及數字電視等領域。目前在智慧手機GPU領域,Imagination擁有37%的市場份額,同時是汽車行業最大的GPU供應商,市場份額高達45%,使用Imagination GPU IP的汽車晶片出貨量已超過2.5億顆。

能夠看到,Imagination在移動和汽車等主要的戰略細分市場上實現了廣泛增長的同時,在資料中心和桌面等新晉領域,Imagination的高效能 A系列和 B系列 GPU產品已表現出了巨大的吸引力,並通過這些細分市場的客戶實現了顯著的收入增長。再結合本次IMG CXT的釋出,Imagination在研發上不斷投入以保持快速的技術開發和產品上市步伐,持續的滿足和引領市場及客戶需求,也是其實現快速增長的重要原因。

強勁的業績表現背後,除了領先的技術水平和專注於正確的細分領域外,對中國市場的持續優化和佈局也是其取得快速增長的關鍵所在。Imagination中國區董事長白農強調:“公司非常注重打造產業生態,在中國,Imagination除了和展銳、芯馳科技、賽昉等半導體企業合作外,還和騰訊(包括騰訊遊戲和騰訊WeTest質量團隊)、百度(百度飛槳PaddlePaddle)、完美世界遊戲等平臺、應用廠商展開合作。”

此外,Imagination還和Linux基金會合作共同推動中國客戶實現桌面和資料中心應用;面對增長越來越快的算力需求,成立科學實驗室(IMG Labs),在架構、工藝和算力方面持續進行研究;與北京大學、浙江大學等知名高校在課程、教學資源和教師培訓方面進行支援與合作,實現了生態的進一步擴充套件和創新。

白農表示,中國市場對Imagination整體的貢獻將會超過1/3,且業務增速更是在公司整體平均值之上。接下來,Imagination還將繼續加大在中國市場的投入和資源,從以銷售為主導轉向以市場為主導,積極主動去做市場佈局,深入瞭解市場需求,與客戶建立更戰略性的合作關係。同時在產品路線圖規劃上,Imagination也會加大在業務和資源支援方面的創新和投入力度,繼續將重點放在上述領域,以及當前進行了產品授權的其他領域,如數字電視和可穿戴裝置等。除了目前的GPU、AI和連線IP之外,還將推出新的IP,例如針對上述細分市場的RISC-V處理器。進一步滿足對結合GPU、CPU和AI處理器的異構解決方案的需求。

Imagination將持續重點關注中國市場的趨勢變化和行業走向,在不斷積累、優化已有市場的佈局之外,未來,Imagination很可能進入中國的其他新領域,如工業或醫療健康領域等,以技術創新和產品優勢推動多行業不斷向前邁進。

寫在最後

與其他系列GPU產品規劃類似,IMG CXT GPU只是當前Imagination技術創新的一部分,接下來還會有更多令人期待的C系列產品推出,在產品迭代和技術演進的過程中尋找更廣闊的發展機遇。生態方面,Imagination還將不斷拓展,致力於打造從IP供應商到晶片廠商,再到平臺、終端裝置和應用廠商聯絡在一起的全產業生態。

在多年的行業經驗與市場沉浮中,Imagination深諳以技術創新為核心驅動,持續完善生態佈局,提升競爭實力,助力客戶實現GPU新格局。

*免責宣告:本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點,半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點,不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支援,如果有任何異議,歡迎聯絡半導體行業觀察。

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