光線追蹤技術顯著提高了圖形渲染質量，但目前更多出現(xiàn)在PC和筆記本這些終端設備上，由于功耗和成本問題尚未在移動設備上實現(xiàn)大規(guī)模搭載。但毫無疑問的是，這已經成為了手機芯片廠商和手機廠商共同押注的方向。在2021年，Imagination的CXT系列首次在移動GPU上實現(xiàn)了硬件光追，讓移動端的光追成為可能。在移動GPU上實現(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，讓移動光追的功耗和可拓展性大大提升，從而為移動光追從實現(xiàn)到大規(guī)模搭載，奠定了技術基礎。

手游沉浸式體驗，硬件光追必不可少

近年來，移動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；移動游戲在全球年度消費者支出中所占的市場份額將超過 60%。ABI 2022年的調查顯示，手機游戲用戶會從26億增長到2030年的39億，到2026年，85%的游戲玩家首選在手機上玩游戲。

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

其中光線追蹤是一種圖形渲染技術，通過算法來跟蹤和模擬真實世界中發(fā)生的光的實際路徑，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將提供更多細節(jié)和動態(tài)圖形質量。這種圖形質量的提升并不僅僅局限于照射和陰影，像水的倒影、一些金屬材質的光影反射等也會有明顯的提升。

因此光追是提升手游沉浸感的有效途徑，2022年的旗艦手機已經搭載了光線追蹤技術，2032年的旗艦手機也都必然會搭載這一技術。而在旗艦手機之后，光追技術逐漸將會下放到中端手機中，實現(xiàn)大規(guī)模的搭載。但光追需要進行大量的光線折射、二次反射的并行計算。手機的終端形態(tài)決定了其對于功耗的要求更為苛刻，因此硬件光追要實現(xiàn)在手機上的大規(guī)模搭載，需要確保功耗達到在移動端的要求，在此基礎上，才難談去追求更好的光追體驗。

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

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

從CXT到DXT：可配置RAC讓移動光追邁入大規(guī)模應用

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

第一級的光線追蹤技術，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。

第三級的光線追蹤技術對BVH回溯提供了硬件支持，從而進一步實現(xiàn)了功耗的降低。

第四級的光線追蹤技術菜了光的自動測試和回溯外，還把相同光線上的光束統(tǒng)一計算，采用統(tǒng)一的指令運行。

第五級的光線追蹤技術，會進一步將會更多計算工作負荷從原來的GPU的渲染器或著色器中分離出來，轉移到專門的硬件上去加速，從而省下更多的GPU資源來做其他動態(tài)渲染，這樣可以在性能提升的同時降低功耗。

Imagination從CXT系列的發(fā)布起，就實現(xiàn)了第四級的光追技術。CXT開始采用了名為Photon架構，內置專門的光線追蹤計算單元RAC，將光追的功耗降低到了移動平臺可以搭載的水平。而近日最新發(fā)布的DXT系列GPU，則在第四級光追的基礎上，實現(xiàn)了可拓展的RAC，并可以結合FSR技術，從而實現(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的基礎；第二代的B系列，則引入了原生可拓展的架構特點，支持chiplet的設計方式；第三代CXT系列則將硬件光追在移動端的實現(xiàn)提供了可能；最新的第四代DXT，進一步解決了在移動端進行大規(guī)模搭載的技術難題，實現(xiàn)了光追技術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“相關性”去做的能耗和開銷的減少，對移動端光線追蹤的實際應用至關重要。市面上宣稱有了光線追蹤技術的手機，其實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非常嚇人。DXT具有硬件級別的光線追蹤技術，滿足移動端可接受的能耗開銷，可以更好地讓光線追蹤技術盡快鋪開到更多設備。

對于手機廠商而言，可拓展的RAC讓其在構建不同定位產品時，進行不同能力等級的光追技術搭載，實現(xiàn)了極大開發(fā)效率的提高。例如主流手機系列對于芯片面積比較在意，就可以選擇配置小一點的RAC；旗艦手機更在意游戲高性能，就可以選擇4 RAC的配置。這樣手機廠商就可以在設計時以最小的改動，完成不同檔位手機的不同光追效果配置。

對于開發(fā)者而言，耗費了大量的開發(fā)精力開發(fā)的具備光線追蹤的游戲內容，如果僅限于高端手機上，則會無法達到足夠的回饋。而有了DXT的可拓展RAC之后，中端手機上也可以實現(xiàn)光線追蹤技術的搭載。最初的中端手機中可能只有0.5個RAC的單元，但也能夠運行光追游戲內容，因此開發(fā)者對于移動端的光追游戲內容的開發(fā)熱情將會提高。

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

DXT中的“黃金搭檔”：光線追蹤+FSR技術

DXT系列的高配型號DXT72-2304 RT3實現(xiàn)了50%的性能增加和計算能力增加，標配達到2.25T浮點運算能力，72GB像素填充能力，9TB的AI推理能力，同時把第四級別的光線追蹤技術進行了可配置化、可擴展化，F(xiàn)SR技術搭配光線追蹤一起使用，使得游戲體驗更加流暢和真實，針對游戲環(huán)境引進的2D Dual-Rate Texturing功能，可以讓Texuring數(shù)量翻倍。

據(jù)Imagination官方介紹：PowerVR Photon架構的主要特點是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，它可以加速和卸載更多來自著色器內核的光線追蹤計算。RAC包含了光線存儲（Ray Store）、光線任務調度器（Ray Task Scheduler）和相干性聚集器（Coherency Gatherer），并與兩個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)結構保存在芯片上，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)存儲或讀取至動態(tài)隨機存取存儲器（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，并通過專用硬件部署和追蹤光線工作負載，同時保持高光線吞吐量和低功耗。獨特的Coherency Gatherer單元可以分析所有傳播中的光線，并將整個場景中的光線綁定成多個相干組，從而能夠以更高的效率對它們進行處理。

Imagination中國區(qū)技術總監(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，可以在三角形和光和進行碰撞檢測。然后引入調度器（BPS）和光線存儲（RS），方便在BVH里面回溯。因為回溯的時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)一計算，然后用相同的指令完成并行計算，節(jié)省了大量的功耗，從而實現(xiàn)了第三級的硬件光追。在第三級的基礎上加上光線存儲以及光線任務的調度器等，綜合在一起就達到RTLS級別中的第四級。

DXT系列的另一大特點在于光追技術和FSR（Fragment Shading Rate）技術的結合，帶來了更靈活的硬件資源消耗，從而實現(xiàn)了更低的功耗表現(xiàn)。據(jù)悉，F(xiàn)SR跟VRS效果是一樣的，默認直接支持VFSR這項技術，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、哪些場景運動比較快，可以對不同的區(qū)域進行執(zhí)行的設定。采用1×1就是傳統(tǒng)的16模塊都運行1次，如果是4×4這樣的大塊運行1次，可以獲得93%左右的Fragment運算能力的節(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，實現(xiàn)更好的整體效果平衡。

如下圖所示，左側帶有VFRS技術，右圖沒有，兩個畫面并沒有肉眼可見的區(qū)別。但從熱力圖中就可以看到，藍色區(qū)域采用4×4的Fragment Shade，可以節(jié)省出來大量的運算資源，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算。

光線追蹤技術可以很好地和FSR技術結合在一起，沒有開啟的話可能需要每幀6.9MB的運算能力，但如果配上FSR計算，運算1次或者運算2次，細節(jié)表現(xiàn)更加真實，1幀畫面只需要3.2MB的光數(shù)計算能力，配合可擴展的RAC，其實用更小的RAC就能夠實現(xiàn)這個場景下的游戲光追效果，會給客戶帶來更好的沉浸式體驗。

“這二者是很好的黃金搭檔，光線追蹤技術和FSR技術結合在一起，使得能夠用更小的功耗實現(xiàn)更真實感的畫面?！卑朔窒淼?，“就像這張圖片顯示的，不同的區(qū)域可以用不同的運算，實現(xiàn)的效果更加真實?！?

除了上述的光追相關特性外，DXT還有幾項關鍵的技術更新。

2D Dual-Rate Texturing可以應用于游戲后處理階段，因為有了畫面以后需要額外進行處理，降噪或者Super Solution。

GPU中有一個固件處理器，負責高級調度和工作負載的優(yōu)先級處理。而在DXT中，已經切換成了RISC-V架構的處理器，相比前代帶來40%的調度性能提高，實現(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%的計算性能提升。之前有一個Data Master運行的時候另外一個就要等待，而現(xiàn)在有了這項技術，前一個Data Master運行時，后面一個任務就可以提前準備好，所以調度的間隙就會很小，帶來5%的性能提升。

此外還有硬件的HDR，可以通過標準API支持，也會給畫面的亮度、對比度帶來更加真實的效果提升。

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

結語

其實CXT中搭載的RAC已經實現(xiàn)了移動硬件光追的技術基礎，但DXT的最大意義則在于通過可拓展的RAC，讓移動光追整個生態(tài)的快速發(fā)展提供了進階的路線。Imagination公司技術產品管理高級總監(jiān)Stephen Barton表示，移動光追的實現(xiàn)，并不意味著從今天開始就要把所有內容完全用光追技術打造的路線來推，而是推薦大家在現(xiàn)有的游戲內容中逐步地、一點一點加入光追的元素，包括光追打造的光影效果。一步一步隨著市場上設備越來越多地使用這些硬件級別支持光追的設備，那個時候再把光追內容進一步增加，這將是一個漸進的過程?！?a href="/tags/Imagination" target="_blank">Imagination的光追加速集群（RAC）是獨立于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容中加入更多的光影效果?！?