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中國區戰略市場與生態副總
Imagination中國區戰略市場與生態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。”
關于光線追蹤技術
光線跟蹤是一種在二維(2D)屏幕上呈現三維(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，它可以創造出與現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。現在，憑借Imagination此次推出的Photon架構，移動開發者和游戲玩家現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質的效果，并創建出比以往任何時候都更細致的環境。
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寬的統一著色器集群（USC）緊密耦合，USC擁有高速專用數據通路，可以實現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據結構保存在芯片上，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據存儲或讀取至動態隨機存取存儲器（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，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，你發現一個光源打了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，整個業界生態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。據時昕介紹，這款芯片是28納米做的，功耗在個位數。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，其實整個業界生態都還沒有準備好。
時昕分享說：”現在是革命性的時刻。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一的標準。處理器的成功離不開整個生態，包括接口，包括編程的模式、工具等等。整個生態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，市場上也已經出現了一些光線追蹤技術趨向于標準化、統一化的趨勢，比如微軟的DXR規范。
Imagination一方面會針對這些規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（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Imagination介紹，L0是最傳統的解決方案，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量級的加速。不過目前業界的狀態大多是在PC端，且多是通過軟件模擬的方式去實現光線追蹤的效果，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，它目前還不是行業的標準，不過我們希望它未來可以變成行業的標準。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圖像渲染，所以整體來說它的功耗將更低的。
光線追蹤的發展趨勢
那么下一代光線追蹤技術將會往怎么發展呢？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的技術戰略和市場規劃
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）、以太網處理器。Imagination 公司副總裁中國區總經理劉國軍表示，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 公司副總裁中國區總經理
劉國軍詳細介紹了Imagination的戰略部署：
- 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。
- 戰略重心，就是數據中心和桌面，對Imagination的GPU技術架構來講這是一個新的開發。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。數據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中國區董事長
Imagination中國區董事長白農介紹，2020年Imagination的營業收入是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、大數據時代，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，除了傳統的CPU之外，尤其是在GPU、神經網絡異構的處理器的需求也跟隨著應用場景在提升。
- 隨著大數據算力的增加，對低能耗的需求也在不斷增加，很多互聯網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展非常迅速。從商業模式來說，跟傳統的頭部企業不一樣，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，當時世界上創立了數十家的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勢。
白農表示，隨著5G或者大數據以及各種領域的發展，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勢。隨著對海量數據計算的需求，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據中心方面。給Imagination帶來新的業績增長的領域主要是傳統的移動、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。現在，正憑借領先的產品技術，演繹著王者的歸來！
