芯東西（公眾號(hào)：aichip001）
作者 | ?ZeR0
編輯 | ?漠影
2023年一開年，全球第四大半導(dǎo)體IP供應(yīng)商Imagination便推出了其D系列的首款移動(dòng)GPU產(chǎn)品——IMG DXT，其多種配置能夠滿足從主流、高端到旗艦設(shè)備的圖形處理需求。
IMG DXT主要面向手機(jī)游戲，通過提供可擴(kuò)展的移動(dòng)光線追蹤技術(shù)、可變速的著色技術(shù)及更高能效，展現(xiàn)出其在移動(dòng)GPU IP領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先性。據(jù)介紹，DXT的Photon架構(gòu)是目前唯一達(dá)到光追系統(tǒng)（RTLS）4級(jí)的光追設(shè)計(jì)，無(wú)論RAC如何配置，其光追解決方案都能達(dá)到4級(jí)。
值此時(shí)機(jī)，芯東西等多家媒體與這家知名IP供應(yīng)商進(jìn)行深入交流。多位來(lái)自Imagination總部及中國(guó)區(qū)的高管，在詳細(xì)解讀IMG DXT的技術(shù)優(yōu)勢(shì)之余，還分享了對(duì)半導(dǎo)體IP發(fā)展趨勢(shì)的研判以及在中國(guó)的生態(tài)建設(shè)進(jìn)展。
一、累計(jì)專利超3000項(xiàng)，堅(jiān)持投入RISC-V研發(fā)
近年來(lái)，芯片開發(fā)成本快速攀升，芯片設(shè)計(jì)者對(duì)第三方IP的需求不斷增長(zhǎng)，以此加快研發(fā)進(jìn)度，節(jié)省費(fèi)用、時(shí)間和機(jī)會(huì)成本。
Imagination在移動(dòng)GPU開發(fā)方面已經(jīng)有近30年的經(jīng)驗(yàn)積累，并于2021年推出并授權(quán)了首個(gè)移動(dòng)光追GPU，在半導(dǎo)體IP市場(chǎng)根基深厚。隨著摩爾定律趨于失效，異構(gòu)計(jì)算和Chiplet日漸盛行，這也是Imagination布局的重地。
據(jù)Imagination技術(shù)產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)Stephen Barton分享，在設(shè)計(jì)B系列GPU時(shí)，Imagination就已經(jīng)做了使其能更好適應(yīng)未來(lái)Chiplet中的應(yīng)用的相應(yīng)設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)理念和思路也會(huì)延續(xù)到最新推出的D系列以及后續(xù)的新GPU產(chǎn)品中。
Imagination的主要產(chǎn)品有四大類，除了聞名業(yè)界的GPU IP外，還有CPU、AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器、以太網(wǎng)處理器EPP產(chǎn)品線。其中AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器已在中國(guó)擁有十幾家客戶。
迄今Imagination已擁有超過3000多項(xiàng)專利和申請(qǐng)，其中GPU基礎(chǔ)專利最多，涉及內(nèi)存和參數(shù)管理、延遲渲染和圖像壓縮、功能安全等等。
值得一提的是，與Arm、RISC-V同根同源的精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)MIPS，曾歸屬于Imagination。2017年，Imagination被Cambridge基金100%收購(gòu)，收購(gòu)前MIPS業(yè)務(wù)被剝離出去，但I(xiàn)magination仍擁有很多CPU方面的專利技術(shù)。
此外，Imagination也在持續(xù)投入RISC-V的研發(fā)，將其成果應(yīng)用于其產(chǎn)品線中。例如其DXT新品使用了遵循RISC-V協(xié)議的固件處理器，能實(shí)現(xiàn)40%的固件性能改善，該固件已在其汽車GPU BXS系列產(chǎn)品中得到驗(yàn)證。受益于RISC-V的電源域特征，IMG DXT把重點(diǎn)放在降低空閑功率關(guān)閉不使用的GPU部分和優(yōu)化隨機(jī)工作負(fù)載性能上。
Imagination首席營(yíng)銷官David Harold相信，RISC-V一定會(huì)帶來(lái)顛覆性的變化，只不過這個(gè)過程需要時(shí)間，可能是十年后，他希望GPU IP可以成為諸多RISC-V架構(gòu)的首選。
“我們認(rèn)為最先到來(lái)的RISC-V大規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景，一定會(huì)是汽車行業(yè)?！彼劦?，汽車行業(yè)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用RISC-V架構(gòu)的CPU，Imagination的第一家RISC-V客戶便是車企。
過去三年，Imagination有了新的CEO及管理層，并制定了新的公司整體戰(zhàn)略及中國(guó)區(qū)戰(zhàn)略，兩年間中國(guó)員工人數(shù)增長(zhǎng)接近60%。其新戰(zhàn)略聚焦四大應(yīng)用領(lǐng)域：移動(dòng)、消費(fèi)、汽車、數(shù)據(jù)中心。
在中國(guó)，Imagination持續(xù)加大生態(tài)建設(shè)，從整機(jī)廠到游戲廠，與各類合作伙伴進(jìn)行一些相互交叉的開發(fā)工作。其生態(tài)團(tuán)隊(duì)也在中國(guó)周期性、規(guī)律性地舉辦各種培訓(xùn)以及Workshop。
David Harold告訴芯東西，Imagination注意到，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)桌面端和數(shù)據(jù)中心端的GPU IP需求明顯高于其他國(guó)家，并朝向高端需求發(fā)展。他透露說(shuō)，Imagination圍繞這些方向進(jìn)行的很多開發(fā)，完全是為了滿足中國(guó)市場(chǎng)的高端需求。
“我們也發(fā)現(xiàn)中國(guó)的客戶把我們的GPU和RISC-V CPU整合到一個(gè)SoC里面，這對(duì)我們來(lái)講是相當(dāng)值得興奮的，期望有任何進(jìn)行包含RISC-V CPU的SoC開發(fā)客戶都可以首選考慮我們的GPU。”David Harold說(shuō)。
二、移動(dòng)GPU的“黃金搭檔”：光追+FSR，以更小功耗實(shí)現(xiàn)更高幀率
據(jù)Imagination中國(guó)區(qū)技術(shù)總監(jiān)艾克分享，手機(jī)游戲有三大趨勢(shì)值得重點(diǎn)關(guān)注：更真實(shí)的沉浸式體驗(yàn)、更強(qiáng)的性能、更低的功耗。
圍繞這些趨勢(shì)，Imagination設(shè)計(jì)了最新的IMG DXT產(chǎn)品。該系列不但可以加速諸如游戲后處理和計(jì)算圖像學(xué)應(yīng)用中的濾鏡效果，其更高的吞吐量也有助于實(shí)現(xiàn)更快、更低功耗的降噪算法，提高光追畫面的質(zhì)量。
與上一代CXT相比，IMG DXT系列最大單核性能提升了50%，單位面積性能密度高出20%，同時(shí)大幅降低了功耗。與相同移動(dòng)配置下的CXT相比，DXT能夠?qū)⑻峁┛捎霉庾返拿娣e成本降低40%。
光線追蹤主要解決讓3D游戲場(chǎng)景中的光照更加貼近真實(shí)生活中的折射和反射，使畫面細(xì)節(jié)更加真實(shí)，這需要很大的資源開銷。現(xiàn)在，Imagination把這些光線追蹤技術(shù)帶到手機(jī)領(lǐng)域。
艾克將光線追蹤系統(tǒng)分為五級(jí)。第一級(jí)光線追蹤采用純軟件方式，第二級(jí)有更多光線碰撞反射技術(shù)，在市面上最為常見。第三、四級(jí)則加入相關(guān)性的分類、聚集和回溯功能。
以前光線追蹤技術(shù)多用在PC和主機(jī)上，設(shè)備本身的帶寬和能耗的要求能夠得到滿足，但到能耗和運(yùn)算帶寬限制較大的移動(dòng)端就不行了。
擅長(zhǎng)設(shè)計(jì)移動(dòng)GPU的Imagination，提供的是第四級(jí)光追技術(shù)，通過把主要光追能力部署到硬件級(jí)別，將相同方向光線需要進(jìn)行的計(jì)算進(jìn)行整合，進(jìn)一步節(jié)省開銷，更好地兼顧移動(dòng)端對(duì)提高性能和降低功耗的雙重需求。
Imagination的光線追蹤架構(gòu)實(shí)現(xiàn)是RAC（光線加速集群），作為一個(gè)獨(dú)立IP而存在。
IMG DXT有多種配置和性能，從節(jié)省面積的0.5 RAC配置擴(kuò)展到高性能的4 RAC設(shè)計(jì)，分別可滿足從追求單位面積性能的主流機(jī)、追求更高性能的高端機(jī)到追求高級(jí)光追體驗(yàn)和手機(jī)整體最優(yōu)表現(xiàn)的旗艦機(jī)的應(yīng)用需求。
IMG DXT支持Vulkan的片段著色率（FSR，F(xiàn)ragment Shading Rate）技術(shù)，將場(chǎng)景中的顏色繪制到幀緩沖器上。
FSR可在幾乎不降低圖像質(zhì)量的前提下，減少片段著色器運(yùn)行次數(shù)，并大幅提高圖形性能，降低占用的帶寬與功耗。節(jié)省出來(lái)的大量運(yùn)算資源，則能為畫面提供更精細(xì)豐富的內(nèi)容渲染，在更小的芯片面積上實(shí)現(xiàn)逼真的燈光和陰影。
開發(fā)者可以控制FSR的使用力度，最極端的情況下，甚至可以對(duì)一個(gè)4×4的片段區(qū)域只執(zhí)行一次著色器代碼，使工作負(fù)載減少近94%，實(shí)現(xiàn)同等的功耗和帶寬節(jié)省。
光追技術(shù)與FSR技術(shù)可以很好結(jié)合，沒有開啟FSR可能需要每幀6.9MRays的運(yùn)算能力，而如果配上FSR計(jì)算，運(yùn)算1或2次，細(xì)節(jié)表現(xiàn)更加真實(shí)，1幀畫面只需3.2MRays的光數(shù)計(jì)算能力，配合可擴(kuò)展的RAC，用更小的RAC就能夠?qū)崿F(xiàn)該場(chǎng)景下的游戲光追效果，從而帶來(lái)更好的沉浸式體驗(yàn)。
許多先進(jìn)的游戲依靠大量紋理取樣實(shí)現(xiàn)高級(jí)過濾效果。對(duì)此，IMG DXT的紋理處理單元（TPU）內(nèi)置有1個(gè)已獲得專利的創(chuàng)新特殊模式，能夠?yàn)檫@些后處理效果創(chuàng)建一條“快速通道”，在使雙線性濾波性能幾乎翻倍的同時(shí)，最大程度地減少面積的增加并降低整體功耗。
針對(duì)提高紋理和計(jì)算性能，IMG DXT搭載全新的著色器處理單元（SPU）。SPU是一個(gè)硅片，包含一個(gè)用于計(jì)算任務(wù)的算術(shù)邏輯單元（ALU）和一個(gè)用于像素著色、幾何處理和光柵化邏輯的紋理處理單元（TPU）。
憑借全新三重通用著色器集群（USC）設(shè)計(jì)（3個(gè)ALU/TPU單元），IMG DXT將每個(gè)SPU的高端計(jì)算和紋理（ALU/TPU）性能提升50%以上，而以前的架構(gòu)只側(cè)重于雙USC設(shè)計(jì)（2個(gè)ALU/TPU單元）。
基于這個(gè)改進(jìn)后的模塊，Imagination打造了最高性能的高端移動(dòng)GPU——DXT-72-2304。這款旗艦產(chǎn)品在1GHz時(shí)鐘頻率下具有72GTexels/s和2.5TFLOPS FP32算力。
為了最大程度地提高帶寬效率，IMG DXT還支持更多壓縮技術(shù)，包括能夠擴(kuò)大紋理在明暗區(qū)域之間的動(dòng)態(tài)范圍、同時(shí)保留細(xì)節(jié)的Khronos ASTC HDR技術(shù)。
三、移動(dòng)光追市場(chǎng)體量仍小，與生態(tài)伙伴合力擴(kuò)圈
Stephen Barton認(rèn)為，在移動(dòng)端推廣光線追蹤技術(shù)，需要一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，硬件級(jí)別內(nèi)置的光追能力不僅僅是能夠在一兩臺(tái)機(jī)器上出現(xiàn)，而是能夠觸及大部分的終端市場(chǎng)，只有這樣，游戲開發(fā)者才有動(dòng)力開發(fā)更多帶有光線追蹤功能的游戲。
他推薦游戲開發(fā)者在現(xiàn)有游戲內(nèi)容中逐步地加入光追的元素，隨著市場(chǎng)越來(lái)越多地用上這些硬件級(jí)別支持光追的設(shè)備，再進(jìn)一步增加光追內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)畫面質(zhì)量的提高。
Stephen Barton將游戲開發(fā)者分為兩類：一類是專門做3A大作，主要采用的方式是在Valkan擴(kuò)展的形式，通過API接口連接應(yīng)用光追技術(shù)開發(fā)；另一類更多采用Unity、Unreal或者O3DE這樣的引擎。Imagination與O3DE展開合作伙伴關(guān)系，專門針對(duì)光線追蹤進(jìn)行優(yōu)化。
無(wú)論采用Valkan擴(kuò)展還是用自己的引擎去做，都繞不開需針對(duì)移動(dòng)端進(jìn)行大量?jī)?yōu)化。對(duì)于這一點(diǎn)，Imagination在2021年發(fā)布其CXT系列產(chǎn)品的同時(shí)也發(fā)布了相關(guān)的光線追蹤工具，幫助開發(fā)者更輕松地完成對(duì)光線追蹤技術(shù)的開發(fā)和部署。
“我們提供的SDK有很多代碼示例，大家可以直接閱讀，不需要手頭有光線追蹤設(shè)備來(lái)做相應(yīng)的測(cè)試?！盌avid Harold說(shuō)，“我們的SDK可在桌面端通過模擬器看到光線追蹤最終呈現(xiàn)的效果?！?/p>
目前移動(dòng)光追的市場(chǎng)體量還很小。Imagination正與OPPO、騰訊、網(wǎng)易、完美世界等中國(guó)生態(tài)伙伴開展大量合作，進(jìn)一步激發(fā)移動(dòng)游戲開發(fā)商和原設(shè)備制造商（OEM）對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的興趣與投資。
OPPO軟件技術(shù)規(guī)劃總監(jiān)Hansen Hong稱贊IMG DXT為在所有智能手機(jī)產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先、逼真的畫面開辟了新的可能性，讓更多移動(dòng)游戲玩家能夠享受到光追與FSR?！拔覀兤诖cImagination一起擴(kuò)展O3DE移動(dòng)渲染器，使開發(fā)者能夠充分利用這項(xiàng)改變行業(yè)格局的開源技術(shù)?！?/p>
騰訊游戲天美工作室群技術(shù)專家李銳認(rèn)為，移動(dòng)游戲所面臨的一個(gè)重大難題是將所有處理能力裝入小面積的硅片，Imagination已率先在移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行了光追革命，全新DXT GPU的推出標(biāo)志著能夠?qū)owerVR架構(gòu)擴(kuò)展到面積更小的硅片上，實(shí)現(xiàn)圖形輸出的最大化。
在騰訊游戲光子工作室群技術(shù)中心專家工程師黃健聰看來(lái)，光追是游戲圖形和渲染方面最值得期待的技術(shù)，它使開發(fā)者能夠設(shè)計(jì)和創(chuàng)造出高度逼真的世界。他相信新推出的IMG DXT將幫助開發(fā)者在有限的功耗范圍內(nèi)創(chuàng)造出更好的畫面體驗(yàn)。
網(wǎng)易游戲高級(jí)技術(shù)專家林祁斛稱，網(wǎng)易已經(jīng)與Imagination一起優(yōu)化了網(wǎng)易在Messiah和其獨(dú)家引擎NeoX上運(yùn)行的游戲，希望通過與Imagination的密切合作，使開發(fā)者最大程度地發(fā)揮PowerVR的高性能與高能效，并讓更多人借助移動(dòng)光追技術(shù)能夠享受到身臨其境的游戲體驗(yàn)。
多人移動(dòng)游戲供應(yīng)商Carbonated Inc首席執(zhí)行官Travis Boatman亦分享說(shuō)，實(shí)時(shí)PVP操作需要在智能手機(jī)有限的功耗范圍內(nèi)也不會(huì)影響畫面體驗(yàn)的高效率、高性能GPU架構(gòu)。他相信全新DTX GPU將提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的可擴(kuò)展移動(dòng)光追，使開發(fā)者無(wú)論是在主流設(shè)備，還是在旗艦設(shè)備上都能提供高水準(zhǔn)的3D畫面。
結(jié)語(yǔ)：手游光追革命槍響，硬件加速箭在弦上
移動(dòng)游戲的可及性和即時(shí)性，促使它成為當(dāng)今和未來(lái)最大的游戲平臺(tái)。隨著許多PC和主機(jī)游戲向移動(dòng)平臺(tái)遷移，這對(duì)移動(dòng)設(shè)備在有限功率范圍內(nèi)提供的性能提出更高要求，曾經(jīng)僅在高端PC游戲領(lǐng)域盛行的光追技術(shù)也逐漸滲透到移動(dòng)端。
光線追蹤正在徹底改變沉浸感。ABI Research首席分析師Michael Inouye認(rèn)為，Imagination正在引領(lǐng)移動(dòng)GPU方面的創(chuàng)新，通過其Photon光追架構(gòu)為高端圖形處理技術(shù)的變革鋪平道路，DXT GPU是該領(lǐng)域一款值得關(guān)注的強(qiáng)大產(chǎn)品。
近年Imagination一直在推動(dòng)移動(dòng)光追的應(yīng)用并推動(dòng)整個(gè)生態(tài)的發(fā)展，挖掘其在智能手機(jī)游戲、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）、機(jī)器人等需要兼顧高性能和高效能的領(lǐng)域的巨大潛力，并與汽車、桌面和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的主要合作伙伴進(jìn)行溝通。
隨著IMG DXT GPU推出，移動(dòng)設(shè)備制造商能夠根據(jù)自己的設(shè)計(jì)目標(biāo)，更靈活地將硬件級(jí)別光追技術(shù)集成到其系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）中。待移動(dòng)光追技術(shù)鋪開到更多主流機(jī)型，市場(chǎng)覆蓋率進(jìn)一步增加，更多手游玩家享受到優(yōu)質(zhì)的游戲畫面。
