芯東西（公眾號：aichip001）
作者 | ?ZeR0
編輯 | ?漠影
2023年(nian)一開年(nian)，全球(qiu)第四大半導(dao)體IP供(gong)應商(shang)Imagination便推(tui)出了其D系(xi)列的首款移動(dong)GPU產品——IMG DXT，其多種配(pei)置(zhi)能(neng)夠滿足從主(zhu)流、高端到旗艦設備的圖形(xing)處理需求(qiu)。
IMG DXT主要面向手機游戲，通過提供可擴展的移動光線追蹤技術、可變速的著色技術及更高能效，展現出其在移動GPU IP領域的技術領先性。據介紹，DXT的Photon架構是目前唯一達到光追系統（RTLS）4級的光追設計，無(wu)論(lun)RAC如何配置(zhi)，其光追解決方(fang)案(an)都能達(da)到4級。
值(zhi)此(ci)時機(ji)，芯東西等多(duo)家媒(mei)體(ti)與這家知名IP供(gong)應商進行深入交流(liu)。多(duo)位來自Imagination總部及中國區(qu)的高(gao)管，在詳細(xi)解讀IMG DXT的技術(shu)優(you)勢之(zhi)余，還分享了對半導體(ti)IP發展趨勢的研判以及在中國的生態建設進展。
一、累計專利超3000項，堅持投入RISC-V研發
近年來，芯(xin)片(pian)開(kai)發成(cheng)本快(kuai)速(su)攀(pan)升，芯(xin)片(pian)設計者對第三方IP的需(xu)求(qiu)不斷增長，以此加快(kuai)研發進(jin)度，節省費用、時間和機(ji)會成(cheng)本。
Imagination在(zai)(zai)移動GPU開發方(fang)面(mian)已經有近30年的經驗積累(lei)，并于(yu)2021年推出(chu)并授(shou)權了(le)首個移動光(guang)追GPU，在(zai)(zai)半導體(ti)IP市場根基深(shen)厚。隨著摩爾定(ding)律趨(qu)于(yu)失效，異構計算和Chiplet日漸盛行，這也是(shi)Imagination布(bu)局的重地。
據Imagination技術產品管理高(gao)級總監Stephen Barton分享，在設計(ji)B系(xi)列GPU時，Imagination就已經做了使其能更好適應未來Chiplet中(zhong)的應用的相應設計(ji)，這樣的設計(ji)理念和思路也會延續(xu)到最新(xin)推出的D系(xi)列以及后(hou)續(xu)的新(xin)GPU產品中(zhong)。
Imagination的主要產品有(you)四大(da)類，除(chu)了聞名業界的GPU IP外，還有(you)CPU、AI神經網絡(luo)加(jia)速器、以太網處(chu)理器EPP產品線。其中(zhong)AI神經網絡(luo)加(jia)速器已(yi)在中(zhong)國擁有(you)十幾家客戶(hu)。
迄(qi)今Imagination已擁有超過3000多(duo)項專利(li)和(he)申請，其(qi)中(zhong)GPU基礎專利(li)最多(duo)，涉及(ji)內存和(he)參數管理、延遲渲染和(he)圖(tu)像壓縮、功能安全等等。
值得一提(ti)的是(shi)，與Arm、RISC-V同根同源的精簡指令集(ji)架(jia)構(gou)MIPS，曾歸屬于Imagination。2017年，Imagination被Cambridge基金100%收購(gou)，收購(gou)前(qian)MIPS業務被剝離出去，但Imagination仍擁有(you)很多(duo)CPU方面的專利技術。
此外(wai)，Imagination也在(zai)持續(xu)投入RISC-V的(de)研發，將其(qi)成果應用于其(qi)產品線中。例如其(qi)DXT新品使(shi)用了遵循RISC-V協議的(de)固件處理(li)器(qi)，能實(shi)現40%的(de)固件性(xing)能改(gai)善，該固件已在(zai)其(qi)汽車GPU BXS系列產品中得到驗證。受益于RISC-V的(de)電源(yuan)域特征(zheng)，IMG DXT把重點放在(zai)降低(di)空閑功率關閉不使(shi)用的(de)GPU部分(fen)和(he)優化(hua)隨機工作負載性(xing)能上。
Imagination首(shou)席營銷官David Harold相信(xin)，RISC-V一定會(hui)帶(dai)來顛(dian)覆(fu)性(xing)的變化，只不過(guo)這(zhe)個過(guo)程需要時間，可能是十年后，他希望GPU IP可以成為諸多RISC-V架構的首(shou)選。
“我們認為最先到來的RISC-V大規模(mo)應用(yong)場景，一定(ding)會是(shi)汽車(che)行(xing)業(ye)。”他談道，汽車(che)行(xing)業(ye)已(yi)經越來越多地應用(yong)RISC-V架構的CPU，Imagination的第一家RISC-V客戶便是(shi)車(che)企(qi)。
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略及中國區戰略，兩年間中國員工人數增長接近60%。其新戰略聚焦四大應用領域：移動、消費、汽車、數據中心。
在中(zhong)國(guo)，Imagination持續加大生態建(jian)設(she)，從整(zheng)機(ji)廠(chang)到(dao)游戲廠(chang)，與(yu)各(ge)(ge)類合作伙伴進行一些相互交叉(cha)的(de)開發工作。其(qi)生態團隊也在中(zhong)國(guo)周期性、規律性地舉辦各(ge)(ge)種(zhong)培訓以(yi)及Workshop。
David Harold告訴芯(xin)東(dong)西，Imagination注意到(dao)，中國(guo)市(shi)場對桌(zhuo)面端(duan)和數(shu)據中心端(duan)的(de)GPU IP需求明(ming)顯高于其(qi)他國(guo)家，并朝向(xiang)高端(duan)需求發展。他透露說，Imagination圍繞這些方(fang)向(xiang)進(jin)行的(de)很多(duo)開(kai)發，完全是為了滿(man)足中國(guo)市(shi)場的(de)高端(duan)需求。
“我(wo)們也發(fa)現中(zhong)國(guo)的(de)客戶把(ba)我(wo)們的(de)GPU和RISC-V CPU整合到一個SoC里面，這(zhe)對我(wo)們來講是相當值得興奮(fen)的(de)，期望有任何(he)進行包含RISC-V CPU的(de)SoC開(kai)發(fa)客戶都可以首選考(kao)慮我(wo)們的(de)GPU。”David Harold說。
二、移動GPU的“黃金搭檔”：光追+FSR，以更小功耗實現更高幀率
據Imagination中國區技術總監(jian)艾克分享，手機游戲有三大(da)趨勢值得(de)重點關(guan)注：更(geng)真實(shi)的沉(chen)浸式體驗、更(geng)強的性能、更(geng)低的功耗(hao)。
圍繞這些趨勢，Imagination設計了最新(xin)的(de)IMG DXT產品。該系列不但可以加速諸(zhu)如游戲(xi)后(hou)處理和計算(suan)(suan)圖像學應用中(zhong)的(de)濾(lv)鏡效果，其更(geng)(geng)高(gao)的(de)吞吐量也有助于(yu)實現更(geng)(geng)快、更(geng)(geng)低(di)功耗的(de)降噪算(suan)(suan)法，提高(gao)光追畫面(mian)的(de)質量。
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%，同時大幅降低了功耗。與相同移動配置下的CXT相比，DXT能夠將提供可用光追的面積成本降低40%。
光線追(zhui)蹤(zong)主要解決讓3D游戲場景中的光照更加貼近真(zhen)實生(sheng)活中的折射(she)和反(fan)射(she)，使畫面細節(jie)更加真(zhen)實，這(zhe)需要很大的資源開(kai)銷(xiao)。現(xian)在，Imagination把(ba)這(zhe)些光線追(zhui)蹤(zong)技術帶到手(shou)機領域。
艾(ai)克將光線(xian)追(zhui)蹤系統分為(wei)(wei)五級(ji)。第(di)一(yi)級(ji)光線(xian)追(zhui)蹤采用純軟件方式，第(di)二級(ji)有更多(duo)光線(xian)碰撞反射(she)技術，在(zai)市面上最為(wei)(wei)常見。第(di)三、四級(ji)則加入相關性的分類、聚集和回溯功能。
以前(qian)光(guang)線追蹤(zong)技(ji)術多用在PC和主機上，設(she)備本身(shen)的(de)帶(dai)寬和能耗的(de)要求(qiu)能夠(gou)得到(dao)(dao)滿足(zu)，但到(dao)(dao)能耗和運算帶(dai)寬限制(zhi)較大的(de)移動端就不行了。
擅長設計移(yi)動GPU的Imagination，提供的是第(di)四級光追(zhui)技術，通過把主要(yao)光追(zhui)能(neng)力部(bu)署到硬件級別，將相同(tong)方向光線需要(yao)進(jin)行的計算進(jin)行整合(he)，進(jin)一(yi)步(bu)節省開(kai)銷，更好地兼顧移(yi)動端對(dui)提高性(xing)能(neng)和降低功耗的雙重需求。
Imagination的光線追(zhui)蹤架構實現(xian)是RAC（光線加速集群），作為一個獨立(li)IP而存在。
IMG DXT有多種配置和性能，從節省面積的0.5 RAC配置擴展到高性能的4 RAC設計，分別可滿足從追(zhui)求(qiu)(qiu)單位面(mian)積性能的(de)主流機、追(zhui)求(qiu)(qiu)更高(gao)性能的(de)高(gao)端(duan)機到(dao)追(zhui)求(qiu)(qiu)高(gao)級光追(zhui)體(ti)驗和手機整體(ti)最優表現(xian)的(de)旗艦機的(de)應用需求(qiu)(qiu)。
IMG DXT支持Vulkan的(de)片段著(zhu)色(se)率（FSR，Fragment Shading Rate）技術，將場景中的(de)顏色(se)繪制到幀緩沖(chong)器上(shang)。
FSR可在(zai)幾乎(hu)不降(jiang)低(di)圖(tu)像質(zhi)量的(de)前提(ti)下，減少(shao)片段著色器運行(xing)次數，并(bing)大(da)幅提(ti)高圖(tu)形性能，降(jiang)低(di)占用的(de)帶(dai)寬與功耗。節(jie)省出來的(de)大(da)量運算資源，則能為畫面提(ti)供更精細豐富的(de)內(nei)容渲染，在(zai)更小的(de)芯(xin)片面積上實現逼真的(de)燈光和陰(yin)影(ying)。
開發者可以控制FSR的使用力度，最極端的情況下，甚至可以對一個4×4的片段區域只執行一次著色器代碼，使工作負載減少近94%，實現同等的功耗和帶寬節省。
光追技(ji)(ji)術與FSR技(ji)(ji)術可(ke)(ke)以很好結合(he)，沒有(you)開啟FSR可(ke)(ke)能需要每(mei)幀6.9MRays的運算(suan)能力，而(er)如果配上FSR計(ji)算(suan)，運算(suan)1或(huo)2次，細(xi)節(jie)表現(xian)更(geng)加真實，1幀畫面只需3.2MRays的光數計(ji)算(suan)能力，配合(he)可(ke)(ke)擴展的RAC，用更(geng)小的RAC就能夠(gou)實現(xian)該場景下的游(you)戲光追效果，從而(er)帶(dai)來更(geng)好的沉浸式體驗。
許多先進的游戲依靠大量紋理取樣實現高級過濾效果。對此，IMG DXT的紋理處理單元（TPU）內置有1個已獲得專利的創新特殊模式，能夠為這些后處理效果創建一條“快速通道”，在使雙線性濾波性能幾乎翻倍的同時，最大程度地減少面積的增加并降低整體功耗。
針對提高紋理(li)和計算性(xing)能，IMG DXT搭載全新的著(zhu)色(se)器處(chu)(chu)理(li)單(dan)(dan)元（SPU）。SPU是一(yi)(yi)個硅片(pian)，包含一(yi)(yi)個用于(yu)計算任務的算術(shu)邏輯單(dan)(dan)元（ALU）和一(yi)(yi)個用于(yu)像素著(zhu)色(se)、幾何處(chu)(chu)理(li)和光(guang)柵化邏輯的紋理(li)處(chu)(chu)理(li)單(dan)(dan)元（TPU）。
憑借全新三重通用著色器集群（USC）設計（3個ALU/TPU單元），IMG DXT將每個SPU的高端計算和紋理（ALU/TPU）性能提升50%以上，而以前的(de)架構只側重(zhong)于雙USC設計（2個(ge)ALU/TPU單元）。
基于這個改進后的模塊，Imagination打造了最高性能的高端移動GPU——DXT-72-2304。這款旗艦產品在1GHz時鐘頻率下具有72GTexels/s和2.5TFLOPS FP32算力。
為(wei)了最大程度地(di)提高(gao)帶寬(kuan)效(xiao)率，IMG DXT還(huan)支持更(geng)多壓縮技(ji)術，包括能夠擴(kuo)大紋理在(zai)明暗區域之間的動態范圍(wei)、同(tong)時(shi)保留細節的Khronos ASTC HDR技(ji)術。
三、移動光追市場體量仍小，與生態伙伴合力擴圈
Stephen Barton認為，在(zai)移動(dong)端(duan)推(tui)廣光線追蹤(zong)(zong)技術，需要一個生態系統，硬件級別內(nei)置的(de)光追能(neng)力(li)不僅(jin)僅(jin)是能(neng)夠在(zai)一兩(liang)臺機器(qi)上(shang)出現，而是能(neng)夠觸及大部分的(de)終端(duan)市(shi)場，只有(you)這樣，游戲(xi)開(kai)發者才有(you)動(dong)力(li)開(kai)發更多帶有(you)光線追蹤(zong)(zong)功能(neng)的(de)游戲(xi)。
他推薦游(you)戲開發(fa)者在現有游(you)戲內容(rong)中逐步(bu)地(di)加(jia)入光(guang)追(zhui)的元素，隨著市場越來越多地(di)用上這些硬件級別支(zhi)持光(guang)追(zhui)的設備(bei)，再進一步(bu)增加(jia)光(guang)追(zhui)內容(rong)，以實(shi)現畫面質(zhi)量的提高。
Stephen Barton將游戲開(kai)發(fa)者分(fen)為兩類：一類是(shi)專(zhuan)門做(zuo)3A大作，主要采(cai)用的(de)方(fang)式是(shi)在(zai)Valkan擴展的(de)形(xing)式，通過API接口連接應用光追(zhui)技(ji)術開(kai)發(fa)；另一類更多采(cai)用Unity、Unreal或者O3DE這樣的(de)引擎。Imagination與O3DE展開(kai)合(he)作伙伴關系，專(zhuan)門針對(dui)光線追(zhui)蹤進行(xing)優化。
無論采用Valkan擴展還(huan)是用自(zi)己的引擎去(qu)做，都繞不開需針對移動端進行大量優化。對于(yu)這一(yi)點，Imagination在2021年發(fa)(fa)(fa)布其CXT系(xi)列產品的同時(shi)也發(fa)(fa)(fa)布了相關的光線追蹤工具，幫助(zhu)開發(fa)(fa)(fa)者更(geng)輕松(song)地完成(cheng)對光線追蹤技(ji)術的開發(fa)(fa)(fa)和部署。
“我(wo)(wo)們(men)提供(gong)的(de)SDK有(you)很多代碼(ma)示(shi)例，大家可以直接閱讀，不需要手頭有(you)光線追蹤(zong)設(she)備(bei)來做相應的(de)測試。”David Harold說，“我(wo)(wo)們(men)的(de)SDK可在桌面(mian)端通過模擬器看到光線追蹤(zong)最終呈現的(de)效果。”
目前移動(dong)光追的(de)市場體量還(huan)很小。Imagination正與(yu)OPPO、騰訊、網易(yi)、完美世界等中國生態伙伴(ban)開展大(da)量合作(zuo)，進一(yi)步(bu)激發移動(dong)游(you)戲開發商和原設備制造商（OEM）對這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)的(de)興趣與(yu)投資。
OPPO軟件技(ji)術規劃總監Hansen Hong稱贊IMG DXT為在(zai)所有智能手機產品上(shang)實現領先、逼真的畫面開(kai)辟(pi)了(le)新的可(ke)能性，讓更多移(yi)動游戲玩家(jia)能夠享受到光追與FSR。“我(wo)們期待著與Imagination一(yi)起擴展O3DE移(yi)動渲染器，使(shi)開(kai)發(fa)者能夠充分利用這項改(gai)變行業格局(ju)的開(kai)源(yuan)技(ji)術。”
騰訊游戲(xi)天美工作室群技(ji)術專家李銳認為，移動游戲(xi)所面(mian)臨的一(yi)個重大難題(ti)是將所有處(chu)理(li)能(neng)力裝入小(xiao)面(mian)積的硅(gui)片，Imagination已率先在移動設備上(shang)進行了(le)光追革命，全新DXT GPU的推出標志著能(neng)夠(gou)將PowerVR架(jia)構擴展到面(mian)積更小(xiao)的硅(gui)片上(shang)，實現圖形輸出的最(zui)大化(hua)。
在騰訊游戲光子工(gong)作室群技(ji)術中心專家工(gong)程師黃健(jian)聰(cong)看來，光追是游戲圖形和(he)渲(xuan)染方面(mian)最值(zhi)得期待的(de)技(ji)術，它使開(kai)發者(zhe)能夠設計和(he)創造出(chu)高度逼真的(de)世界。他(ta)相信新推(tui)出(chu)的(de)IMG DXT將(jiang)幫(bang)助(zhu)開(kai)發者(zhe)在有限的(de)功耗范圍內創造出(chu)更好的(de)畫面(mian)體(ti)驗。
網(wang)易游戲(xi)高級技術專家林(lin)祁斛稱，網(wang)易已經與(yu)Imagination一起(qi)優化了網(wang)易在Messiah和其獨(du)家引擎NeoX上運行的游戲(xi)，希望通過與(yu)Imagination的密(mi)切合作，使開(kai)發(fa)者最大(da)程度地發(fa)揮(hui)PowerVR的高性能與(yu)高能效，并讓更多人借助移動光追(zhui)技術能夠享受到身臨其境(jing)的游戲(xi)體驗。
多人(ren)移動(dong)游戲供(gong)應商Carbonated Inc首席執行官Travis Boatman亦(yi)分享說(shuo)，實時PVP操作需要在智(zhi)能(neng)手機有限的(de)功耗范圍內也不會(hui)影響畫(hua)面(mian)體驗的(de)高效率、高性能(neng)GPU架構。他相(xiang)信全新DTX GPU將(jiang)提供(gong)業內領先的(de)可擴展移動(dong)光追，使開發者(zhe)無(wu)論是(shi)在主流設(she)備，還是(shi)在旗艦設(she)備上都能(neng)提供(gong)高水準的(de)3D畫(hua)面(mian)。
結語：手游光追革命槍響，硬件加速箭在弦上
移(yi)(yi)(yi)動游戲(xi)的(de)可及性(xing)和(he)即時性(xing)，促使它成(cheng)為當今(jin)和(he)未來最大的(de)游戲(xi)平臺(tai)。隨(sui)著許(xu)多PC和(he)主機游戲(xi)向(xiang)移(yi)(yi)(yi)動平臺(tai)遷移(yi)(yi)(yi)，這對移(yi)(yi)(yi)動設備在有限(xian)功率范(fan)圍內提(ti)供的(de)性(xing)能提(ti)出更高要求，曾經僅(jin)在高端PC游戲(xi)領域盛行的(de)光追(zhui)技術(shu)也逐漸滲透(tou)到移(yi)(yi)(yi)動端。
光線追(zhui)(zhui)蹤正在徹底改變沉浸感。ABI Research首席分(fen)析(xi)師Michael Inouye認為，Imagination正在引領移動GPU方(fang)面的(de)創(chuang)新，通過其Photon光追(zhui)(zhui)架(jia)構為高端圖(tu)形處理技術的(de)變革(ge)鋪平道(dao)路，DXT GPU是該(gai)領域一款值得(de)關注(zhu)的(de)強(qiang)大(da)產品(pin)。
近(jin)年Imagination一(yi)直在推動移動光追的(de)(de)應(ying)用并推動整個(ge)生態的(de)(de)發展，挖(wa)掘其在智(zhi)能手機游戲(xi)、擴(kuo)展現實（XR）、機器人(ren)等需要(yao)兼顧高性能和(he)高效能的(de)(de)領(ling)域(yu)的(de)(de)巨大潛力，并與汽車、桌面和(he)數據中心領(ling)域(yu)的(de)(de)主要(yao)合作伙(huo)伴(ban)進行溝通。
隨(sui)著IMG DXT GPU推出，移動設備制造商能夠根據(ju)自己的設計(ji)目(mu)標，更(geng)靈活地將硬(ying)件級別光追技術集成到其系統級芯片（SoC）中。待移動光追技術鋪開到更(geng)多(duo)主(zhu)流機型，市(shi)場(chang)覆蓋率(lv)進一步增(zeng)加，更(geng)多(duo)手游(you)(you)玩家享(xiang)受到優(you)質的游(you)(you)戲畫(hua)面。
