移動(dòng)光追實(shí)現(xiàn)大規(guī)模普及的技術(shù)基礎(chǔ)，移動(dòng)GPU邁向更高能效和可拓展性

光線追蹤技術(shù)顯著提高了圖形渲染質(zhì)量，但目前更多出現(xiàn)在PC和筆記本這些終端設(shè)備上，由于功耗和成本問題尚未在移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模搭載。但毫無疑問的是，這已經(jīng)成為了手機(jī)芯片廠商和手機(jī)廠商共同押注的方向。在2021年，Imagination的CXT系列首次在移動(dòng)GPU上實(shí)現(xiàn)了硬件光追，讓移動(dòng)端的光追成為可能。在移動(dòng)GPU上實(shí)現(xiàn)硬件光追是第一步，追求更好的能效表現(xiàn)和可拓展性則是第二步。近日發(fā)布的全新DXT系列GPU上，Imagination又引入了新的技術(shù)，讓移動(dòng)光追的功耗和可拓展性大大提升，從而為移動(dòng)光追從實(shí)現(xiàn)到大規(guī)模搭載，奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

手游沉浸式體驗(yàn)，硬件光追必不可少

近年來，移動(dòng)游戲市場迎來飛速發(fā)展。據(jù)data.ai和IDC的數(shù)據(jù)顯示，2022年移動(dòng)游戲市場將超過1360 億美元，比游戲市場整體增長速度快 1.7 倍；移動(dòng)游戲在全球年度消費(fèi)者支出中所占的市場份額將超過 60%。ABI 2022年的調(diào)查顯示，手機(jī)游戲用戶會(huì)從26億增長到2030年的39億，到2026年，85%的游戲玩家首選在手機(jī)上玩游戲。

隨著手機(jī)游戲用戶的增多，對于手機(jī)游戲的體驗(yàn)的要求也愈來愈高。在游戲內(nèi)容上，有著幾個(gè)重要的趨勢：一是更高的幀率（120FPS+）；二是后處理方面的新需求增加，例如運(yùn)動(dòng)模糊處理、焦距變換和藝術(shù)效果等；三是內(nèi)容復(fù)雜度提升，例如幾何、紋理和陰影等；四是需要更好的光照和陰影效果。移動(dòng)手游玩家希望在獲得更具沉浸感的體驗(yàn)，并且不能影響到游戲的流程體驗(yàn)。

其中光線追蹤是一種圖形渲染技術(shù)，通過算法來跟蹤和模擬真實(shí)世界中發(fā)生的光的實(shí)際路徑，開發(fā)人員可以利用光反射、折射和吸收來在游戲中提供類似真實(shí)世界的反射和陰影效果。與非光線追蹤的游戲相比，支持光線追蹤的游戲?qū)⑻峁└嗉?xì)節(jié)和動(dòng)態(tài)圖形質(zhì)量。這種圖形質(zhì)量的提升并不僅僅局限于照射和陰影，像水的倒影、一些金屬材質(zhì)的光影反射等也會(huì)有明顯的提升。

因此光追是提升手游沉浸感的有效途徑，2022年的旗艦手機(jī)已經(jīng)搭載了光線追蹤技術(shù)，2032年的旗艦手機(jī)也都必然會(huì)搭載這一技術(shù)。而在旗艦手機(jī)之后，光追技術(shù)逐漸將會(huì)下放到中端手機(jī)中，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的搭載。但光追需要進(jìn)行大量的光線折射、二次反射的并行計(jì)算。手機(jī)的終端形態(tài)決定了其對于功耗的要求更為苛刻，因此硬件光追要實(shí)現(xiàn)在手機(jī)上的大規(guī)模搭載，需要確保功耗達(dá)到在移動(dòng)端的要求，在此基礎(chǔ)上，才難談去追求更好的光追體驗(yàn)。

僅僅在軟件上進(jìn)行優(yōu)化是不夠的，移動(dòng)GPU中需要集成專門的光追處理硬件單元，實(shí)現(xiàn)光追計(jì)算的加速，實(shí)現(xiàn)整體更低的能效。

Imagination在上一代的CXT中就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了硬件光追計(jì)算單元（RAC）的集成，而在最新的DXT中，通過可配置的RAC、結(jié)合FSR技術(shù)，讓光追技術(shù)在移動(dòng)端的配置更為靈活高效，從而實(shí)現(xiàn)了更低的功耗和更高的性能表現(xiàn)。

從CXT到DXT：可配置RAC讓移動(dòng)光追邁入大規(guī)模應(yīng)用

目前光線追蹤技術(shù)有所不同，因此有必要對其進(jìn)行區(qū)分。要對比GPU的光追的效果，首先需要進(jìn)入一套評估體系。作為移動(dòng)硬件光追的先行者，Imagnation率先提出了一套叫做RTLS（Ray Tracing Level Syetem）的光追等級系統(tǒng)。RTLS一共分為五個(gè)等級：

第一級的光線追蹤技術(shù)，都是采用純軟件的方式，硬件資源的開銷比較大，CPU的資源占用較高。

第二級的光線追蹤技術(shù)中，對于一些光或三角形碰撞采用硬件處理，節(jié)省了CPU的資源，目前典型的桌面顯卡采用的都是這一類技術(shù)。

第三級的光線追蹤技術(shù)對BVH回溯提供了硬件支持，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了功耗的降低。

第四級的光線追蹤技術(shù)菜了光的自動(dòng)測試和回溯外，還把相同光線上的光束統(tǒng)一計(jì)算，采用統(tǒng)一的指令運(yùn)行。

第五級的光線追蹤技術(shù)，會(huì)進(jìn)一步將會(huì)更多計(jì)算工作負(fù)荷從原來的GPU的渲染器或著色器中分離出來，轉(zhuǎn)移到專門的硬件上去加速，從而省下更多的GPU資源來做其他動(dòng)態(tài)渲染，這樣可以在性能提升的同時(shí)降低功耗。

Imagination從CXT系列的發(fā)布起，就實(shí)現(xiàn)了第四級的光追技術(shù)。CXT開始采用了名為Photon架構(gòu)，內(nèi)置專門的光線追蹤計(jì)算單元RAC，將光追的功耗降低到了移動(dòng)平臺(tái)可以搭載的水平。而近日最新發(fā)布的DXT系列GPU，則在第四級光追的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了可拓展的RAC，并可以結(jié)合FSR技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更小硬件資源下的更好光追效果。

Imagination的全新系列GPU，基本上遵循著一年一代的發(fā)布節(jié)奏，并且每一代都具有特殊的意義。第一代的A系列，奠定了高能效的架構(gòu)的基礎(chǔ)；第二代的B系列，則引入了原生可拓展的架構(gòu)特點(diǎn)，支持chiplet的設(shè)計(jì)方式；第三代CXT系列則將硬件光追在移動(dòng)端的實(shí)現(xiàn)提供了可能；最新的第四代DXT，進(jìn)一步解決了在移動(dòng)端進(jìn)行大規(guī)模搭載的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了光追技術(shù)的可拓展性和更低功耗。

Imagination 公司首席營銷官David Harold表示，L4級別的光線追蹤針對“相關(guān)性”去做的能耗和開銷的減少，對移動(dòng)端光線追蹤的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。市面上宣稱有了光線追蹤技術(shù)的手機(jī)，其實(shí)用的都還是第一級別的軟件解決方案，真正使用起來能耗會(huì)非常嚇人。DXT具有硬件級別的光線追蹤技術(shù)，滿足移動(dòng)端可接受的能耗開銷，可以更好地讓光線追蹤技術(shù)盡快鋪開到更多設(shè)備。

對于手機(jī)廠商而言，可拓展的RAC讓其在構(gòu)建不同定位產(chǎn)品時(shí)，進(jìn)行不同能力等級的光追技術(shù)搭載，實(shí)現(xiàn)了極大開發(fā)效率的提高。例如主流手機(jī)系列對于芯片面積比較在意，就可以選擇配置小一點(diǎn)的RAC；旗艦手機(jī)更在意游戲高性能，就可以選擇4 RAC的配置。這樣手機(jī)廠商就可以在設(shè)計(jì)時(shí)以最小的改動(dòng)，完成不同檔位手機(jī)的不同光追效果配置。

對于開發(fā)者而言，耗費(fèi)了大量的開發(fā)精力開發(fā)的具備光線追蹤的游戲內(nèi)容，如果僅限于高端手機(jī)上，則會(huì)無法達(dá)到足夠的回饋。而有了DXT的可拓展RAC之后，中端手機(jī)上也可以實(shí)現(xiàn)光線追蹤技術(shù)的搭載。最初的中端手機(jī)中可能只有0.5個(gè)RAC的單元，但也能夠運(yùn)行光追游戲內(nèi)容，因此開發(fā)者對于移動(dòng)端的光追游戲內(nèi)容的開發(fā)熱情將會(huì)提高。

手機(jī)廠商和開發(fā)者都可以通過可拓展的RAC這一特性，獲得足夠的動(dòng)力，從而真正將移動(dòng)光追生態(tài)推起來，實(shí)現(xiàn)市場覆蓋率的提高。

DXT中的“黃金搭檔”：光線追蹤+FSR技術(shù)

DXT系列的高配型號DXT72-2304 RT3實(shí)現(xiàn)了50%的性能增加和計(jì)算能力增加，標(biāo)配達(dá)到2.25T浮點(diǎn)運(yùn)算能力，72GB像素填充能力，9TB的AI推理能力，同時(shí)把第四級別的光線追蹤技術(shù)進(jìn)行了可配置化、可擴(kuò)展化，F(xiàn)SR技術(shù)搭配光線追蹤一起使用，使得游戲體驗(yàn)更加流暢和真實(shí)，針對游戲環(huán)境引進(jìn)的2D Dual-Rate Texturing功能，可以讓Texuring數(shù)量翻倍。

據(jù)Imagination官方介紹：PowerVR Photon架構(gòu)的主要特點(diǎn)是RAC，這是一種新的低功耗專用硬件GPU組件，相比效率較低的 RTLS 2級架構(gòu)，它可以加速和卸載更多來自著色器內(nèi)核的光線追蹤計(jì)算。RAC包含了光線存儲(chǔ)（Ray Store）、光線任務(wù)調(diào)度器（Ray Task Scheduler）和相干性聚集器（Coherency Gatherer），并與兩個(gè)128寬的統(tǒng)一著色器集群（USC）緊密耦合，USC擁有高速專用數(shù)據(jù)通路，可以實(shí)現(xiàn)最高效且功耗最低的光線追蹤部署。Ray Store可以在處理過程中將光線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存在芯片上，并提供對 RAC中所有單元的高帶寬讀寫訪問，從而避免了將光線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或讀取至動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）所造成的速度降低或功耗增加。Ray Task Scheduler可以卸載著色器集群的任務(wù)，并通過專用硬件部署和追蹤光線工作負(fù)載，同時(shí)保持高光線吞吐量和低功耗。獨(dú)特的Coherency Gatherer單元可以分析所有傳播中的光線，并將整個(gè)場景中的光線綁定成多個(gè)相干組，從而能夠以更高的效率對它們進(jìn)行處理。

Imagination中國區(qū)技術(shù)總監(jiān)艾克先生表示，RAC單元中BTU、DTTU、PTU，完成的是第二級的光線追蹤技術(shù)，可以在三角形和光和進(jìn)行碰撞檢測。然后引入調(diào)度器（BPS）和光線存儲(chǔ)（RS），方便在BVH里面回溯。因?yàn)榛厮莸臅r(shí)候需要消耗大量的資源，所以引入了PCG。PCG能夠把相同的光束聚合在一起統(tǒng)一計(jì)算，然后用相同的指令完成并行計(jì)算，節(jié)省了大量的功耗，從而實(shí)現(xiàn)了第三級的硬件光追。在第三級的基礎(chǔ)上加上光線存儲(chǔ)以及光線任務(wù)的調(diào)度器等，綜合在一起就達(dá)到RTLS級別中的第四級。

DXT系列的另一大特點(diǎn)在于光追技術(shù)和FSR（Fragment Shading Rate）技術(shù)的結(jié)合，帶來了更靈活的硬件資源消耗，從而實(shí)現(xiàn)了更低的功耗表現(xiàn)。據(jù)悉，F(xiàn)SR跟VRS效果是一樣的，默認(rèn)直接支持VFSR這項(xiàng)技術(shù)，可以讓游戲開發(fā)者針對不同的區(qū)域定義Fragment Shade的執(zhí)行次數(shù)。游戲開發(fā)者知道畫面的哪些背景在后面、哪些場景在前面、哪些場景運(yùn)動(dòng)比較快，可以對不同的區(qū)域進(jìn)行執(zhí)行的設(shè)定。采用1×1就是傳統(tǒng)的16模塊都運(yùn)行1次，如果是4×4這樣的大塊運(yùn)行1次，可以獲得93%左右的Fragment運(yùn)算能力的節(jié)省。開發(fā)者可以自己選擇是需要更好的視覺效果還是更高效的光追效果，實(shí)現(xiàn)更好的整體效果平衡。

如下圖所示，左側(cè)帶有VFRS技術(shù)，右圖沒有，兩個(gè)畫面并沒有肉眼可見的區(qū)別。但從熱力圖中就可以看到，藍(lán)色區(qū)域采用4×4的Fragment Shade，可以節(jié)省出來大量的運(yùn)算資源，能夠讓GPU處于休眠狀態(tài)，或者是給后面的畫面提供更精致的運(yùn)算。

光線追蹤技術(shù)可以很好地和FSR技術(shù)結(jié)合在一起，沒有開啟的話可能需要每幀6.9MB的運(yùn)算能力，但如果配上FSR計(jì)算，運(yùn)算1次或者運(yùn)算2次，細(xì)節(jié)表現(xiàn)更加真實(shí)，1幀畫面只需要3.2MB的光數(shù)計(jì)算能力，配合可擴(kuò)展的RAC，其實(shí)用更小的RAC就能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)場景下的游戲光追效果，會(huì)給客戶帶來更好的沉浸式體驗(yàn)。

“這二者是很好的黃金搭檔，光線追蹤技術(shù)和FSR技術(shù)結(jié)合在一起，使得能夠用更小的功耗實(shí)現(xiàn)更真實(shí)感的畫面。”艾克分享到，“就像這張圖片顯示的，不同的區(qū)域可以用不同的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)的效果更加真實(shí)?！?

除了上述的光追相關(guān)特性外，DXT還有幾項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)更新。

2D Dual-Rate Texturing可以應(yīng)用于游戲后處理階段，因?yàn)橛辛水嬅嬉院笮枰~外進(jìn)行處理，降噪或者Super Solution。

GPU中有一個(gè)固件處理器，負(fù)責(zé)高級調(diào)度和工作負(fù)載的優(yōu)先級處理。而在DXT中，已經(jīng)切換成了RISC-V架構(gòu)的處理器，相比前代帶來40%的調(diào)度性能提高，實(shí)現(xiàn)了更快的事件處理和更多的功能。

Pipelined Data Master帶來全域性的畫圖和5%的計(jì)算性能提升。之前有一個(gè)Data Master運(yùn)行的時(shí)候另外一個(gè)就要等待，而現(xiàn)在有了這項(xiàng)技術(shù)，前一個(gè)Data Master運(yùn)行時(shí)，后面一個(gè)任務(wù)就可以提前準(zhǔn)備好，所以調(diào)度的間隙就會(huì)很小，帶來5%的性能提升。

此外還有硬件的HDR，可以通過標(biāo)準(zhǔn)API支持，也會(huì)給畫面的亮度、對比度帶來更加真實(shí)的效果提升。

DXT提供了三個(gè)不同定位的產(chǎn)品型號：面向主流機(jī)的、面向高端機(jī)的、面向旗艦機(jī)的。主流機(jī)定位的IMG DXT-8-256更追求單位面積性能；高端機(jī)定位的IMG DXT-48-1536則更關(guān)注更高性能實(shí)現(xiàn)；旗艦機(jī)定位的IMG DXT-72-2304則追求更高性能和手機(jī)整體表現(xiàn)。

結(jié)語

其實(shí)CXT中搭載的RAC已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)硬件光追的技術(shù)基礎(chǔ)，但DXT的最大意義則在于通過可拓展的RAC，讓移動(dòng)光追整個(gè)生態(tài)的快速發(fā)展提供了進(jìn)階的路線。Imagination公司技術(shù)產(chǎn)品管理高級總監(jiān)Stephen Barton表示，移動(dòng)光追的實(shí)現(xiàn)，并不意味著從今天開始就要把所有內(nèi)容完全用光追技術(shù)打造的路線來推，而是推薦大家在現(xiàn)有的游戲內(nèi)容中逐步地、一點(diǎn)一點(diǎn)加入光追的元素，包括光追打造的光影效果。一步一步隨著市場上設(shè)備越來越多地使用這些硬件級別支持光追的設(shè)備，那個(gè)時(shí)候再把光追內(nèi)容進(jìn)一步增加，這將是一個(gè)漸進(jìn)的過程?！?a href="/tags/Imagination" target="_blank">Imagination的光追加速集群（RAC）是獨(dú)立于GPU本身的光柵化性能以外的存在，如果是有余力的游戲開發(fā)者，可以想一想怎么將其利用起來，思考要不要在其游戲內(nèi)容中加入更多的光影效果。”