硬件光追进入新阶段，Imagination推出DXT系列GPU IP

作为GPU皇冠上的明珠，实时光线追踪技术近年来得到了迅速发展。

然而并不是所有的光线追踪体验都是一样的，正如GPU IP供应商Imagination所说，光线追踪技术可以细分为很多层级，其中第一级光线追踪技术通过软件实现，CPU占用资源较高。第二级光线追踪技术是利用硬件处理光和或者三角形碰撞，从而节省了CPU资源，目前典型的桌面显卡都是采用了这项技术。第三级光线追踪技术开始，就需要支持BVH回溯。BVH是bounding volume hierarchy，这是一种用来管理3D场景中物体的方法。这部分是目前渲染器中最困难的部分，但是可以是渲染器更加高效。第四级光线追踪技术除了光和自动测试的回溯之外，还需要相同光线上的光数统一计算，用统一的指令运行。而第五级技术则需要支持BVH builder，目前作为公司的储备技术。

高级光线追踪技术需要更新的硬件

如上图所述，Imagination认为，从CXT GPU IP开始，光线追踪技术就已经进入到第四级。

日前，Imagination宣布推出IMG DXT系列GPU，将移动设备的光追体验带入到了新阶段。尤其是如今，手机性能越来越高，在手机上玩3A大作已经不再是一种幻象。由此，玩家越来越需要沉浸且流畅的体验、真实的画面、以及更小的发热及更长的待机功耗，所有这些都对GPU有了全新的要求。

总体而言，这款GPU可以从节省面积的0.5 RAC（光线加速集群）配置扩展到高性能的4 RAC设计，涵盖从混合实现方案中的简单阴影到3A大作中的高级光追画面等各类应用。

“通过DXT，可以让光线追踪技术可以尽快铺开，哪怕只有0.5个RAC，也可以快速覆盖市场，从而让真正的内容开发者愿意去进行光线追踪相关开发。”Imagination首席营销官David Harold说道。由于如今手机的光线追踪大部分还是软件实现的，因此无论是资源占用还是功耗，都还不能商用化。

同时，为了快速实现光追技术，Imagination同行业、客户以及合作伙伴，包括手机厂商和游戏厂商共同合作，通过推出PVR2等工具，简单部署光线追踪技术。

DXT详解

旗舰产品DXT-72-2304能够提供超高端移动设备所需的性能，具有72 GTexels/s和2.5 TFLOP FP32算力。与上一代产品相比，其最大单核性能提升了50%。DXT核的单位面积性能密度比IMG CXT GPU高出20%，同时大幅降低了功耗。

如图所示，在可配置内核上，最大的单核配置从CXT-64-2048升级到DXT-96-3072，单核性能提高了50%。并且拥有可选择的光线追踪RAC。

DXT目前包括三个系列。分别面向主流、高端以及旗舰型，提供不同算力、像素填充率以及光线追踪RAC等。

如图所示，不同公司的光线追踪技术有着明显差别，那么为什么Imagination的DXT系列可以一枝独秀？官方透露了几个黑科技。

支持Vulkan的片段着色率（FSR）技术

片段着色率（Fragment Shading Rate，FSR）（在DirectX中也称为可变着色率VRS）是一种可以提高图像表现并降低功耗的技术。FSR允许共享着色器程序的执行结果跨多个片段。因此，不是1:1执行着色器程序，这意味着一个着色器可以覆盖更多像素的区域，从而实现了更高的性能、更低的带宽和更低的功耗。

Imagination表示，开发者可以控制FSR的使用力度，最极端的情况下甚至可以对一个4x4的片段区域只执行一次着色器代码，这意味着只需1/16的资源，从而使工作负载减少近94%。

FSR可以在用户不太注意的地方复用，从而节约资源。另外，FSR功能也适用于光线跟踪。因为着色器调用需要发射的光线更少，因此提交的光线更少并且结果在较大的像素区域上被重新使用。

如图所示，我们可以看到在周边区域，可以运用更多的4X4单元统一着色，而在需要光线追踪的地方，应选择更细致的着色。而缩减光线数量，基本在图像表现上看不出差异。

2D双速率纹理处理

许多先进的游戏依靠大量纹理取样实现高级过滤效果。IMG DXT GPU的纹理处理单元（TPU）内置一个已获得专利的创新特殊模式，能够为这些后处理效果创建一条“快速通道”，在使双线性滤波性能几乎翻倍的同时，最大程度地减少面积的增加并降低整体功耗。该GPU不但可以加速诸如游戏后处理和计算图像学应用中的滤镜效果；更高的吞吐量也有助于实现更快、更低功耗的降噪算法，提高光追画面的质量。

数据显示，许多游戏花费大量资源执行后处理算法，以实现景深、光华和模糊等效果。最在这些后处理过程中，纹理采样的重过滤效果在运算逻辑单元（ALU）执行，因此受到TPU瓶颈。解决这一问题的简单方法是增加TPU单元的数量与USC/ALU的比例。然而，这不是好的策略。首先，在常规渲染过程中，ALU与TPU的比率已经是最佳的了。同时，带宽也无法足够满足更多TPU的吞吐率需求。而Imagination的技术可在保持整体平衡的同时，将执行效率提升一倍。

RISC-V技术支持

Imagination持续投入RISC-V的研发，将其成果应用于其产品线中。DXT中使用的遵循RISC-V协议的固件处理器，可以实现40%的固件性能改善，并且该固件已经在其汽车GPU BXS系列产品中得到验证。IMG DXT还受益于RISC-V的电源域特征，把重点放在降低空闲功率关闭不使用的GPU部分和优化随机工作负载性能上。

Pipeline Data Master技术

Imagination的PowerVR GPU从一开始就由固件处理器驱动。固件处理器负责工作负载的高级调度和优先级，允许并发处理不同类型的作业PowerVR GPU具有每个作业类型的数据主控器，计算和2D（或数据移动）。

如示意图所示，通过更紧凑的任务调动，可以使处理器始终在运行提前准备好的数据，从而带来全域5%的画图和计算性能提升。

ASTC HDR支持

Imagination此前已支持Khronos Vulkan API要求的自适应可缩放纹理压缩（ASTC）的低动态范围（LDR）。但是ASTC的高动态范围模式还不能支持。DXT系列新增的HDR功能，可以捕获更多的纹理信息，提高可视范围。

如图所示，从暗到亮，HDR支持可以展现更多细节。

总结

凭借着在光线追踪技术的领先，Imagination实现了GPU IP的准确定位，在如今竞争激烈的市场中，可以与其他便携甚至桌面级供应商扳一扳手腕。Imagination通过推出更具性价比，更低功耗，更高性能的DXT系列，意图将光追技术迅速普及开，从而在GPU市场中继续保持差异化的领先性。