详细解读光线追踪技术,元宇宙中将大有作为

2021-11-29 12:54:09 来源:EETOP

元宇宙最近很火。虽然现在并没有任何人士或机构能很好解释元宇宙具体是什么以及如何运作,但并不妨碍它的价值正在被无限放大。The Information称,到2025年,元宇宙这个领域的价值预计将达到820亿美元。摩根士丹利的分析师表示,元宇宙可能代表着8万亿美元的机会。无疑,大家对这个新领域都充满了期待,同时也都摩拳擦掌的希望自己能把握住这个机会。

在科技界正为元宇宙究竟是什么而努力的时候,Imagination,这个一直以来都是以GPU技术引领行业的有中国新鲜血液的英国公司,已经先行一步,于近日推出了旗舰款图形处理器GPU)知识产权(IP)产品IMG CXT,同时其PowerVR Photon光线追踪架构也随该IP首次亮相。据称,这项具备硬件处理能力的第四极光线追踪技术,未来或将在元宇宙中大有作为。

据介绍,CXT每秒钟可以做到的算力,如果是32位可以做到1.5T,每秒钟可以做48G的像素、纹理运算,每秒钟可以做1.3G,每秒钟可以计算13亿条光线的折射、反射。此外,每秒钟可以做48G的BoxTest,AI定点运算每秒则可以达到6TOPS。

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时昕博士,Imagination中国区战略市场与生态副总

Imagination中国区战略市场与生态副总时昕博士受访时分享说:“Imagination最新的光线追踪架构名叫光子。我们在讨论元宇宙,去创造一个新的宇宙时,第一个想到的概念是什么?我想到的是上帝说的“要有光”。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。我们认为,现在是革命性的时刻,相信很快就会有很多基于光线追踪技术的丰富内容出现。”

关于光线追踪技术

光线跟踪是一种在二维(2D)屏幕上呈现三维(3D)图像的方法。这是一种来自几何光学的通用技术,它通过追踪与光学表面发生交互作用的光线,得到光线经过路径的模型。该技术可以有效改变游戏规则,可以使图形真实感达到跃升式变化。通过模拟真实世界中光线的表现,它可以创造出与现实生活几乎无异的三维(3D)场景。

不过由于其计算的复杂性,光线追踪不久前也只是应用在台式机和游戏机上。现在,凭借Imagination此次推出的Photon架构,移动开发者和游戏玩家现在也能够利用这项渲染技术来全面提升图形真实感,并可带来桌面级质量的视觉效果。

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PowerVR Photon光线追踪架构

据介绍,PowerVR Photon架构的主要特点是RAC,这是一种新的低功耗专用硬件GPU组件,相比效率较低的 RTLS 2级架构,它可以加速和卸载更多来自着色器内核的光线追踪计算,可以为开发人员提供更强大、更具一致性的光线追踪性能,从而支持他们在渲染汽车、角色和地形等复杂表面时提供更优质的效果,并创建出比以往任何时候都更细致的环境。

RAC包含了光线存储(Ray Store)、光线任务调度器(Ray Task Scheduler)和相干性聚集器(Coherency Gatherer),并与两个128宽的统一着色器集群(USC)紧密耦合,USC拥有高速专用数据通路,可以实现最高效且功耗最低的光线追踪部署。

  • Ray Store可以在处理过程中将光线数据结构保存在芯片上,并提供对 RAC中所有单元的高带宽读写访问,从而避免了将光线数据存储或读取至动态随机存取存储器(DRAM)所造成的速度降低或功耗增加。
  • Ray Task Scheduler可以卸载着色器集群的任务,并通过专用硬件部署和追踪光线工作负载,同时保持高光线吞吐量和低功耗。
  • 独特的Coherency Gatherer单元可以分析所有传播中的光线,并将整个场景中的光线绑定成多个相干组,从而能够以更高的效率对它们进行处理。

光线追踪有两种方式来实现,一种是用光线查询的方式,一种是用光线管线的方式。光线管线的方式就是在计算的时候,从一个光源打出一个光子,这个光子可能会碰到场景当中的一个物体,它会有反射、折射等反应,经过几次之后到达摄像机位或者游戏玩家的眼睛。查询方式就是反过来,你发现一个光源打了100条光线出来,最终到达玩家眼中的可能只有一条或者没有,有很多计算是浪费掉了。时昕介绍说,目前很多宣称自己有光线追踪技术的,大部分都是用光线管线来实现的。Imagination的技术是光线管线和光线查询两种方式都支持,这样可以带来更真实的阴影、反射和全局光照的效果。

那怎么保证低功耗呢?传统的技术,在复杂场景之下,包括反射、阴影、全局照明等,都是靠着色器去完成场景的渲染。着色器对场景进行渲染时,要消耗的资源、功耗都非常大。Imagination的做法是,把这部分工作从原有的着色器分流到专门的光线追踪的硬件部分,由光线追踪来完成。当这种渲染的负载被转移到更为专用的硬件上时,效率得到了明显的更高。

其实,Imagination在光线追踪方面已经有10年左右的历史了。2012年的时候,整个业界生态对光线追踪这项技术开始广泛投入。当时,Imagination认为,拥有光线追踪功能的芯片的时机已经到来。于是,2014年,在Imagination的Plato系列中,加入了一款具备光线追踪的硬件,并且测试芯片也都已经做出。据时昕介绍,这款芯片是28纳米做的,功耗在个位数。不过当时的图形API的标准还没有关于光线追踪的内容,包括相关的开发工具软件、游戏引擎等也没有光线追踪的功能,因此,其实整个业界生态都还没有准备好。

时昕分享说:”现在是革命性的时刻。Photon架构代表了Imagination十年来推动光线追踪在低功耗设备上应用的发展成果,并且在视觉效果可能性方面,为智能手机、平板电脑、笔记本电脑和汽车解决方案带来了重要的飞跃式进展。“

光线追踪技术的标准

在标准化方面,光线追踪技术一直没有统一的标准。处理器的成功离不开整个生态,包括接口,包括编程的模式、工具等等。整个生态其中一个重要因素就是API的标准。目前,API针对光线追踪的标准已经成型,包括Vulkan都有相关的标准出来。此外,近年来,市场上也已经出现了一些光线追踪技术趋向于标准化、统一化的趋势,比如微软的DXR规范。

Imagination一方面会针对这些规范提供相应的技术匹配,让产品能够有更好的兼容性和可用性;另一方面,Imagination也 建立了自己的光线追踪等级系统(RTLS),确定了从0级(Level 0)到5级(Level 5)共6个等级的光线追踪功能的要求。

据Imagination介绍,L0是最传统的解决方案,在图形的工作站上有一个算力很强的电脑,同时也会有一些专业的硬件,不过得需要用几个小时渲染帧画面。L1阶段开始加入软件算法,因为GPU有并行计算的优势,所以很多算法都开始向GPU转移,通过这种方式也可以获得数量级的加速。不过目前业界的状态大多是在PC端,且多是通过软件模拟的方式去实现光线追踪的效果,多处于第二级或者第三级。而Imagination是通过硬件化的手段来完成的。

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Kristof Beets,Imagination技术前瞻副总裁

Imagination技术前瞻副总裁Kristof Beets表示:“这是我们自己提出的光线追踪的分级系统,它目前还不是行业的标准,不过我们希望它未来可以变成行业的标准。这是我们通过观察市场上目前所存在的这些技术得出的总结,包括最开始0级的传统方案,然后是1级,再到L2、L3。此次推出的Photon架构到达了L4,超越了之前的四档,未来我们还将会推出第五档。”

对于未来L5的光线追踪技术,Imagination 表示,未来会把更多计算资源,或者说计算的工作负荷从原有的GPU的渲染器或者着色器的部分,转移到光线追踪的硬件部分来做,这样就可以省下更多的资源去做其它的动态图像渲染,所以整体来说它的功耗将更低的。

光线追踪的发展趋势

那么下一代光线追踪技术将会往怎么发展呢?Imagination表示,这完全取决于市场的需求。很重要的一点就是,一定要听好市场上接下来的反馈是什么。根据反馈来做出相应的决定,保持敏捷性是非常重要的。

游戏一定是光线追踪技术应用场景当中最为核心的部分,而且这部分吸引到的投资也是最多的。对于图形来说,它的主要应用之一,或者对它计算压力最大的场景应用就是高画质的游戏。除此之外,光线追踪未来还将可能在元宇宙当中得到的应用。比如元宇宙当中会用到的VR技术的孪生兄弟AR技术,就是增强现实技术。如果用上光线追踪技术,一切渲染出来的内容都将更加具有真实性。细化到具体应用的商业化领域,比如购物,当购买家具的时候,就可以更直观地看到这个家具如果买回家放在家里,放在卧室或者其它房间的哪个角落看起来会是什么样的效果。通过光线追踪技术,可以极大提升观看效果和真实性。这方面的应用潜力非常大。

时昕补充介绍到:“Imagination在光线追踪的技术当中加入了相干性的聚集器,类似同样角度、同样光源、平行的光线,可以集合在一起计算。这个思路可以作为一个引擎,应用在其它的计算方面,也就是说GPU也未必非得进行图形的计算,它也可以用类似的方法应用相干性的计算引擎,把它进行归纳,然后完成一个通用计算的效果,这也是变相的另外一种使用光线追踪技术的方法。”

Imagination的技术战略和市场规划

目前,Imagination主要有四个主要类别的产品解决方案,即GPUCPU、专用AI处理器(NNA)、以太网处理器。Imagination 公司副总裁中国区总经理刘国军表示,Imagination的核心技术是GPU汽车领域是最重要的战略领域,特别是智能驾驶舱领域,它的市场占有率是第一,市场占有率大概能有百分之四五十。

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刘国军,Imagination 公司副总裁中国区总经理

刘国军详细介绍了Imagination的战略部署:

  • 首先是汽车,特别是在智能驾舱这块。在GPU,Imagination有最高的市场占有率。下一步Imagination将会融合AIGPU、计算技术助力ADAS/AD技术。
  • 第二个就是移动和消费终端,终端就是GPU
  • 战略重心,就是数据中心和桌面,对Imagination的GPU技术架构来讲这是一个新的开发。不过25-30年前,Imagination的前身,就是从桌面开始的图形处理。只不过之后的二三十年的发展,都重点在移动和终端耕耘。近年有很多合作伙伴看到了云游戏、桌面的机会。数据中心和桌面不光是对GPU有需求,也需要IP来支持。
  • 最后一个就是计算,Imagination正着力打造一个异构计算平台,GPUCPUAI处理器

 

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白农,Imagination中国区董事长

 

Imagination中国区董事长白农介绍,2020年Imagination的营业收入是1.25亿美元,比2019年有44%的增长率,是近几年的一个高峰。2021年上半年,Imagination的总收入同比增长55%,签署了超过35项授权协议,中国客户占大部分。中国市场是Imagination成长的动力。中国市场的机会,体现在以下几个方面:

  • 随着全球技术的不断进步,尤其是在5G、大数据时代,对于高性能计算、高算力的需求在不断地快速提升,从处理器方面来说,除了传统的CPU之外,尤其是在GPU、神经网络异构的处理器的需求也跟随着应用场景在提升。
  • 随着大数据算力的增加,对低能耗的需求也在不断增加,很多互联网公司和运营商最大的运营成本就是电费。低功耗恰恰就是Imagination技术的核心优势。
  • 过去几年,随着中国对半导体的重视,目前整体的半导体发展非常迅速。从商业模式来说,跟传统的头部企业不一样,如英伟达,他们是产品公司,而Imagination是知识产权提供的公司。Imagination也希望通过提供自己的技术,可以为中国发展更多本土化的高性能计算芯片做出贡献。

关于GPU市场分析

上个世纪80年代,当时世界上创立了数十家的GPU技术相关的公司,几年之后就只剩下几家,大家比较熟悉的是英伟达,Imagination也是硕果仅存的几家拥有GPU基础技术的公司之一。其它还有AMD、微软、Photoshop。除Imagination之外,其它四家公司都是美国公司,两家技术公司、两家软件公司,Imagination是唯一的非美背景的公司,而且有中资背景。

与其它GPU厂商的区别是,Imagination可以帮助客户构建世界上最好的GPU芯片。英伟达、AMDGPU方面有很多专利,但是他们不会授权给客户,他们没有芯片客户,他们的客户就是整机厂。Imagination的IP是授权的,他们将IP授权给很多芯片公司,去做针对场景优化定制的GPU芯片。Imagination有2600多项GPU专利,在欧盟申请专利的排名是排在第17位。得益于几十年来在GPU领域积累的优势,Imagination不仅能够给客户提供图形、像素相关的处理计算,还能提供非常强的AI计算算力,高性能、低功耗、低成本成是他们强大的竞争优势。

白农表示,随着5G或者大数据以及各种领域的发展,对高性能计算的需求不断提升,GPU技术架构在这方面有显著的优势。随着对海量数据计算的需求,对芯片的利用率和功耗的要求非常高,对处理器的需求也是比较高的。此外,针对具体的应用场景,定制化、客制化的需求越来越多,而且是很明显的一个大趋势。

过去两三年Imagination成长很快。从成长领域来讲,主要是提供GPU技术。国产GPU,目前的主要投入是在桌面和数据中心方面。给Imagination带来新的业绩增长的领域主要是传统的移动、汽车部分。对于未来,包括云端、AIoT等异构计算的各个方面,以及超低功耗等,都蕴藏着很大的潜在机会。

刘国军表示,Imagination的竞争力在不断增长,变化都是非常快速和正面的。在这个市场上,差异化、质量和速度是成功的关键。Imagination的目标是成为所有寻求解决复杂挑战和打造“世界最佳产品”的技术公司,可以信赖的合作伙伴。愿景是,成为改变数十亿人生活的半导体IP解决方案无可争议的先驱和引领者。

虽然Imagination没有昔日那么辉煌,但Imagination在移动GPU市场的份额还是与ARM和高通呈三足鼎立之势。回望过去,Imagination经历过辉煌,也经历过动荡。现在,正凭借领先的产品技术,演绎着王者的归来!

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