在科技界正為元宇宙究竟是什么而努力的時候，Imagination，這個一直以來都是以GPU技術引領行業(yè)的有中國新鮮血液的英國公司，已經先行一步，于近日推出了旗艦款圖形處理器（GPU）知識產權（IP）產品IMG CXT，同時其PowerVR Photon光線追蹤架構也隨該IP首次亮相。據(jù)稱，這項具備硬件處理能力的第四極光線追蹤技術，未來或將在元宇宙中大有作為。
據(jù)介紹，CXT每秒鐘可以做到的算力，如果是32位可以做到1.5T，每秒鐘可以做48G的像素、紋理運算，每秒鐘可以做1.3G，每秒鐘可以計算13億條光線的折射、反射。此外，每秒鐘可以做48G的BoxTest，AI定點運算每秒則可以達到6TOPS。
時昕博士，Imagination中國區(qū)戰(zhàn)略市場與生態(tài)副總
Imagination中國區(qū)戰(zhàn)略市場與生態(tài)副總時昕博士受訪時分享說：“Imagination最新的光線追蹤架構名叫光子。我們在討論元宇宙，去創(chuàng)造一個新的宇宙時，第一個想到的概念是什么？我想到的是上帝說的“要有光”。我們要創(chuàng)造一個全新的虛擬世界，第一個需要的東西也是光。我們認為，現(xiàn)在是革命性的時刻，相信很快就會有很多基于光線追蹤技術的豐富內容出現(xiàn)。”
關于光線追蹤技術
光線跟蹤是一種在二維(2D)屏幕上呈現(xiàn)三維(3D)圖像的方法。這是一種來自幾何光學的通用技術，它通過追蹤與光學表面發(fā)生交互作用的光線，得到光線經過路徑的模型。該技術可以有效改變游戲規(guī)則，可以使圖形真實感達到躍升式變化。通過模擬真實世界中光線的表現(xiàn)，它可以創(chuàng)造出與現(xiàn)實生活幾乎無異的三維（3D）場景。
不過由于其計算的復雜性，光線追蹤不久前也只是應用在臺式機和游戲機上。現(xiàn)在，憑借Imagination此次推出的Photon架構，移動開發(fā)者和游戲玩家現(xiàn)在也能夠利用這項渲染技術來全面提升圖形真實感，并可帶來桌面級質量的視覺效果。
PowerVR Photon光線追蹤架構
據(jù)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，可以為開發(fā)人員提供更強大、更具一致性的光線追蹤性能，從而支持他們在渲染汽車、角色和地形等復雜表面時提供更優(yōu)質的效果，并創(chuàng)建出比以往任何時候都更細致的環(huán)境。
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。
光線追蹤有兩種方式來實現(xiàn)，一種是用光線查詢的方式，一種是用光線管線的方式。光線管線的方式就是在計算的時候，從一個光源打出一個光子，這個光子可能會碰到場景當中的一個物體，它會有反射、折射等反應，經過幾次之后到達攝像機位或者游戲玩家的眼睛。查詢方式就是反過來，你發(fā)現(xiàn)一個光源打了100條光線出來，最終到達玩家眼中的可能只有一條或者沒有，有很多計算是浪費掉了。時昕介紹說，目前很多宣稱自己有光線追蹤技術的，大部分都是用光線管線來實現(xiàn)的。Imagination的技術是光線管線和光線查詢兩種方式都支持，這樣可以帶來更真實的陰影、反射和全局光照的效果。
那怎么保證低功耗呢？傳統(tǒng)的技術，在復雜場景之下，包括反射、陰影、全局照明等，都是靠著色器去完成場景的渲染。著色器對場景進行渲染時，要消耗的資源、功耗都非常大。Imagination的做法是，把這部分工作從原有的著色器分流到專門的光線追蹤的硬件部分，由光線追蹤來完成。當這種渲染的負載被轉移到更為專用的硬件上時，效率得到了明顯的更高。
其實，Imagination在光線追蹤方面已經有10年左右的歷史了。2012年的時候，整個業(yè)界生態(tài)對光線追蹤這項技術開始廣泛投入。當時，Imagination認為，擁有光線追蹤功能的芯片的時機已經到來。于是，2014年，在Imagination的Plato系列中，加入了一款具備光線追蹤的硬件，并且測試芯片也都已經做出。據(jù)時昕介紹，這款芯片是28納米做的，功耗在個位數(shù)。不過當時的圖形API的標準還沒有關于光線追蹤的內容，包括相關的開發(fā)工具軟件、游戲引擎等也沒有光線追蹤的功能，因此，其實整個業(yè)界生態(tài)都還沒有準備好。
時昕分享說：”現(xiàn)在是革命性的時刻。Photon架構代表了Imagination十年來推動光線追蹤在低功耗設備上應用的發(fā)展成果，并且在視覺效果可能性方面，為智能手機、平板電腦、筆記本電腦和汽車解決方案帶來了重要的飛躍式進展。“
光線追蹤技術的標準
在標準化方面，光線追蹤技術一直沒有統(tǒng)一的標準。處理器的成功離不開整個生態(tài)，包括接口，包括編程的模式、工具等等。整個生態(tài)其中一個重要因素就是API的標準。目前，API針對光線追蹤的標準已經成型，包括Vulkan都有相關的標準出來。此外，近年來，市場上也已經出現(xiàn)了一些光線追蹤技術趨向于標準化、統(tǒng)一化的趨勢，比如微軟的DXR規(guī)范。
Imagination一方面會針對這些規(guī)范提供相應的技術匹配，讓產品能夠有更好的兼容性和可用性；另一方面，Imagination也 建立了自己的光線追蹤等級系統(tǒng)（RTLS），確定了從0級（Level 0）到5級（Level 5）共6個等級的光線追蹤功能的要求。
據(jù)Imagination介紹，L0是最傳統(tǒng)的解決方案，在圖形的工作站上有一個算力很強的電腦，同時也會有一些專業(yè)的硬件，不過得需要用幾個小時渲染幀畫面。L1階段開始加入軟件算法，因為GPU有并行計算的優(yōu)勢，所以很多算法都開始向GPU轉移，通過這種方式也可以獲得數(shù)量級的加速。不過目前業(yè)界的狀態(tài)大多是在PC端，且多是通過軟件模擬的方式去實現(xiàn)光線追蹤的效果，多處于第二級或者第三級。而Imagination是通過硬件化的手段來完成的。
Kristof Beets，Imagination技術前瞻副總裁
Imagination技術前瞻副總裁Kristof Beets表示：“這是我們自己提出的光線追蹤的分級系統(tǒng)，它目前還不是行業(yè)的標準，不過我們希望它未來可以變成行業(yè)的標準。這是我們通過觀察市場上目前所存在的這些技術得出的總結，包括最開始0級的傳統(tǒng)方案，然后是1級，再到L2、L3。此次推出的Photon架構到達了L4，超越了之前的四檔，未來我們還將會推出第五檔。”
對于未來L5的光線追蹤技術，Imagination 表示，未來會把更多計算資源，或者說計算的工作負荷從原有的GPU的渲染器或者著色器的部分，轉移到光線追蹤的硬件部分來做，這樣就可以省下更多的資源去做其它的動態(tài)圖像渲染，所以整體來說它的功耗將更低的。
光線追蹤的發(fā)展趨勢
那么下一代光線追蹤技術將會往怎么發(fā)展呢？Imagination表示，這完全取決于市場的需求。很重要的一點就是，一定要聽好市場上接下來的反饋是什么。根據(jù)反饋來做出相應的決定，保持敏捷性是非常重要的。
游戲一定是光線追蹤技術應用場景當中最為核心的部分，而且這部分吸引到的投資也是最多的。對于圖形來說，它的主要應用之一，或者對它計算壓力最大的場景應用就是高畫質的游戲。除此之外，光線追蹤未來還將可能在元宇宙當中得到的應用。比如元宇宙當中會用到的VR技術的孿生兄弟AR技術，就是增強現(xiàn)實技術。如果用上光線追蹤技術，一切渲染出來的內容都將更加具有真實性。細化到具體應用的商業(yè)化領域，比如購物，當購買家具的時候，就可以更直觀地看到這個家具如果買回家放在家里，放在臥室或者其它房間的哪個角落看起來會是什么樣的效果。通過光線追蹤技術，可以極大提升觀看效果和真實性。這方面的應用潛力非常大。
時昕補充介紹到：“Imagination在光線追蹤的技術當中加入了相干性的聚集器，類似同樣角度、同樣光源、平行的光線，可以集合在一起計算。這個思路可以作為一個引擎，應用在其它的計算方面，也就是說GPU也未必非得進行圖形的計算，它也可以用類似的方法應用相干性的計算引擎，把它進行歸納，然后完成一個通用計算的效果，這也是變相的另外一種使用光線追蹤技術的方法。”
Imagination的技術戰(zhàn)略和市場規(guī)劃
目前，Imagination主要有四個主要類別的產品解決方案，即GPU、CPU、專用AI處理器（NNA）、以太網(wǎng)處理器。Imagination 公司副總裁中國區(qū)總經理劉國軍表示，Imagination的核心技術是GPU。汽車領域是最重要的戰(zhàn)略領域，特別是智能駕駛艙領域，它的市場占有率是第一，市場占有率大概能有百分之四五十。
劉國軍，Imagination 公司副總裁中國區(qū)總經理
劉國軍詳細介紹了Imagination的戰(zhàn)略部署：
- 首先是汽車，特別是在智能駕艙這塊。在GPU，Imagination有最高的市場占有率。下一步Imagination將會融合AI和GPU、計算技術助力ADAS/AD技術。
- 第二個就是移動和消費終端，終端就是GPU。
- 戰(zhàn)略重心，就是數(shù)據(jù)中心和桌面，對Imagination的GPU技術架構來講這是一個新的開發(fā)。不過25-30年前，Imagination的前身，就是從桌面開始的圖形處理。只不過之后的二三十年的發(fā)展，都重點在移動和終端耕耘。近年有很多合作伙伴看到了云游戲、桌面的機會。數(shù)據(jù)中心和桌面不光是對GPU有需求，也需要IP來支持。
- 最后一個就是計算，Imagination正著力打造一個異構計算平臺，GPU、CPU、AI、處理器。
白農，Imagination中國區(qū)董事長
Imagination中國區(qū)董事長白農介紹，2020年Imagination的營業(yè)收入是1.25億美元，比2019年有44%的增長率，是近幾年的一個高峰。2021年上半年，Imagination的總收入同比增長55%，簽署了超過35項授權協(xié)議，中國客戶占大部分。中國市場是Imagination成長的動力。中國市場的機會，體現(xiàn)在以下幾個方面：
- 隨著全球技術的不斷進步，尤其是在5G、大數(shù)據(jù)時代，對于高性能計算、高算力的需求在不斷地快速提升，從處理器方面來說，除了傳統(tǒng)的CPU之外，尤其是在GPU、神經網(wǎng)絡異構的處理器的需求也跟隨著應用場景在提升。
- 隨著大數(shù)據(jù)算力的增加，對低能耗的需求也在不斷增加，很多互聯(lián)網(wǎng)公司和運營商最大的運營成本就是電費。低功耗恰恰就是Imagination技術的核心優(yōu)勢。
- 過去幾年，隨著中國對半導體的重視，目前整體的半導體發(fā)展非常迅速。從商業(yè)模式來說，跟傳統(tǒng)的頭部企業(yè)不一樣，如英偉達，他們是產品公司，而Imagination是知識產權提供的公司。Imagination也希望通過提供自己的技術，可以為中國發(fā)展更多本土化的高性能計算芯片做出貢獻。
關于GPU市場分析
上個世紀80年代，當時世界上創(chuàng)立了數(shù)十家的GPU技術相關的公司，幾年之后就只剩下幾家，大家比較熟悉的是英偉達，Imagination也是碩果僅存的幾家擁有GPU基礎技術的公司之一。其它還有AMD、微軟、Photoshop。除Imagination之外，其它四家公司都是美國公司，兩家技術公司、兩家軟件公司，Imagination是唯一的非美背景的公司，而且有中資背景。
與其它GPU廠商的區(qū)別是，Imagination可以幫助客戶構建世界上最好的GPU芯片。英偉達、AMD在GPU方面有很多專利，但是他們不會授權給客戶，他們沒有芯片客戶，他們的客戶就是整機廠。Imagination的IP是授權的，他們將IP授權給很多芯片公司，去做針對場景優(yōu)化定制的GPU芯片。Imagination有2600多項GPU專利，在歐盟申請專利的排名是排在第17位。得益于幾十年來在GPU領域積累的優(yōu)勢，Imagination不僅能夠給客戶提供圖形、像素相關的處理計算，還能提供非常強的AI計算算力，高性能、低功耗、低成本成是他們強大的競爭優(yōu)勢。
白農表示，隨著5G或者大數(shù)據(jù)以及各種領域的發(fā)展，對高性能計算的需求不斷提升，GPU技術架構在這方面有顯著的優(yōu)勢。隨著對海量數(shù)據(jù)計算的需求，對芯片的利用率和功耗的要求非常高，對處理器的需求也是比較高的。此外，針對具體的應用場景，定制化、客制化的需求越來越多，而且是很明顯的一個大趨勢。
過去兩三年Imagination成長很快。從成長領域來講，主要是提供GPU技術。國產GPU，目前的主要投入是在桌面和數(shù)據(jù)中心方面。給Imagination帶來新的業(yè)績增長的領域主要是傳統(tǒng)的移動、汽車部分。對于未來，包括云端、AIoT等異構計算的各個方面，以及超低功耗等，都蘊藏著很大的潛在機會。
劉國軍表示，Imagination的競爭力在不斷增長，變化都是非常快速和正面的。在這個市場上，差異化、質量和速度是成功的關鍵。Imagination的目標是成為所有尋求解決復雜挑戰(zhàn)和打造“世界最佳產品”的技術公司，可以信賴的合作伙伴。愿景是，成為改變數(shù)十億人生活的半導體IP解決方案無可爭議的先驅和引領者。
雖然Imagination沒有昔日那么輝煌，但Imagination在移動GPU市場的份額還是與ARM和高通呈三足鼎立之勢。回望過去，Imagination經歷過輝煌，也經歷過動蕩。現(xiàn)在，正憑借領先的產品技術，演繹著王者的歸來！
