據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年GPU行業(yè)規(guī)模為200億美元，預(yù)計(jì)2021年將增長(zhǎng)15%。從2015年到2025年，GPU市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從80億美元擴(kuò)展到350億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)13%。
2015-2025年GPU市場(chǎng)規(guī)模趨勢(shì)（數(shù)據(jù)來源：AI芯天下）
從當(dāng)前市場(chǎng)和技術(shù)趨勢(shì)發(fā)展來看，無論是近期大熱的元宇宙、云游戲，還是可視化、數(shù)據(jù)中心、智能汽車，以及桌面和移動(dòng)終端等，都需要大量的高性能圖像處理和渲染能力，對(duì)GPU提出了巨大的需求。因此，近年來呈現(xiàn)出GPU市場(chǎng)增速迅猛，蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。
以當(dāng)前火熱的元宇宙為例，作為虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界融合的載體，元宇宙中蘊(yùn)含著游戲、社交、辦公、內(nèi)容等場(chǎng)景變革的巨大機(jī)遇，正在成為科技企業(yè)競(jìng)相追逐的風(fēng)口。元宇宙的誕生需要依賴多項(xiàng)底層技術(shù)的搭建與完善，最關(guān)鍵的部分在于其載體與內(nèi)容，需要多項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)。GPU作為打造元宇宙的“數(shù)字底座”，為元宇宙建立提供基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建和協(xié)作，依托GPU的圖像處理技術(shù)繼續(xù)優(yōu)化，幫助渲染元宇宙世界，提升元宇宙的真實(shí)場(chǎng)景式體驗(yàn)。
不難發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)行業(yè)持續(xù)更迭與新興市場(chǎng)的不斷崛起中，GPU作為底層技術(shù)的支撐角色，正在給眾多行業(yè)帶來更多的可能性。
硬件光線追蹤技術(shù)邁進(jìn)移動(dòng)端
在GPU市場(chǎng)發(fā)展如火如荼的今天，行業(yè)新老廠商紛紛入局，在追求產(chǎn)品性能與上市速度的賽道上卯足了火力。當(dāng)中，GPU IP憑借技術(shù)密集度高、成本效益高、可重復(fù)利用等特點(diǎn)扮演著越來越重要的角色，越來越多的行業(yè)廠商借助成熟的IP提升芯片性能，降低設(shè)計(jì)難度和成本，加快產(chǎn)品上市時(shí)間。
在此行業(yè)趨勢(shì)和發(fā)展背景下，行業(yè)領(lǐng)先的半導(dǎo)體IP供應(yīng)商——Imagination Technologies（下文簡(jiǎn)稱：Imagination）近日在上海舉行了Imagination GPU新技術(shù)暨IP新產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，圍繞其新產(chǎn)品和新技術(shù)，深度探討了在GPU技術(shù)創(chuàng)新與塑造新型產(chǎn)業(yè)格局的發(fā)展趨勢(shì)下，新一輪的突破和革新。
11月4日，Imagination推出了旗艦款GPU IP產(chǎn)品——IMG CXT，同時(shí)其PowerVR Photon光線追蹤架構(gòu)也隨該IP首次亮相。通過增加Photon硬件光線追蹤功能，IMG CXT實(shí)現(xiàn)了GPU IP的又一次重大飛躍，能夠?yàn)榘ㄓ螒蛟趦?nèi)的眾多圖形處理應(yīng)用場(chǎng)景提供超高的性能保障。
據(jù)Imagination中國(guó)區(qū)戰(zhàn)略市場(chǎng)與生態(tài)副總時(shí)昕博士介紹：“Photon架構(gòu)代表了十年來推動(dòng)光線追蹤在低功耗設(shè)備上應(yīng)用的發(fā)展成果，是目前業(yè)界最先進(jìn)的光線追蹤架構(gòu)，在視覺效果可能性方面，可以為移動(dòng)和嵌入式應(yīng)用帶來桌面級(jí)質(zhì)量的視覺效果，L4級(jí)別的GPU硬件光線追蹤解決方案相比L1級(jí)別軟件方案有百倍以上的性能功耗比提升，游戲玩家的體驗(yàn)和電池續(xù)航時(shí)間將得到大幅度完善。目前該技術(shù)已對(duì)數(shù)個(gè)市場(chǎng)客戶進(jìn)行了授權(quán)。”
光線追蹤技術(shù)被稱為計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域中的“圣杯”，對(duì)于業(yè)內(nèi)從事相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)或仿真工作的工程師而言并不陌生。在現(xiàn)實(shí)世界中，當(dāng)光照射到物體表面時(shí)，光線會(huì)以各種方式反彈、分散和反射，直至最終到達(dá)我們的眼睛，正是這種復(fù)雜的交互作用創(chuàng)造了我們的現(xiàn)實(shí)“視界”。在傳統(tǒng)的圖形渲染（光柵化處理）中，光照貼圖和陰影貼圖是經(jīng)過預(yù)先計(jì)算好，然后應(yīng)用到場(chǎng)景中以模擬場(chǎng)景外觀。而光線追蹤是一種渲染技術(shù)，可以精確地追蹤場(chǎng)景中光線的路徑，相比光柵化技術(shù)，它可以渲染出可信且具有更高真實(shí)感和保真度的反射、折射、陰影和光照效果。
可以簡(jiǎn)單理解為，光線追蹤通過模擬真實(shí)世界中光線的表現(xiàn)，可以使圖形真實(shí)感達(dá)到躍升式變化，創(chuàng)造出與現(xiàn)實(shí)生活幾乎無異的3D場(chǎng)景。
追溯其發(fā)展歷程可見，Imagination在10年前開創(chuàng)了硬件加速光線追蹤技術(shù)之先河，然而由于其計(jì)算的復(fù)雜性，光線追蹤也只是應(yīng)用在臺(tái)式機(jī)和游戲機(jī)上。而現(xiàn)在則通過全新的Photon架構(gòu)將光線追蹤擴(kuò)展至移動(dòng)市場(chǎng)，移動(dòng)開發(fā)者和游戲玩家現(xiàn)在也能夠利用這種渲染技術(shù)和全面的硬件加速功能。
在移動(dòng)端，由于采用傳統(tǒng)的光柵化方法在智能手機(jī)游戲中“偽造”陰影和反射的成本變得非常高昂，比如在常見游戲引擎中，反射是使用級(jí)聯(lián)陰影貼圖生成的，這需要多次渲染屏幕中的幾何體，并將陰影貼圖查找表寫入存儲(chǔ)器中，所有這些操作都會(huì)消耗周期和帶寬，并產(chǎn)生大量的GPU和系統(tǒng)功耗。對(duì)此，Imagination在高效光線追蹤方面實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新將先進(jìn)的3D圖形處理功能引入移動(dòng)設(shè)備，為移動(dòng)圖形處理行業(yè)創(chuàng)造了一種全新的能力，實(shí)現(xiàn)將逼真的圖形內(nèi)容帶入到移動(dòng)設(shè)備中的愿景，進(jìn)而推動(dòng)智能手機(jī)的新變革。
時(shí)昕博士指出：“Photon架構(gòu)的主要特點(diǎn)是RAC（光線加速集群），RAC包含了光線存儲(chǔ)（Ray Store）、光線任務(wù)調(diào)度器（Ray Task Scheduler）和相干性聚集器（Coherency Gatherer），并與兩個(gè)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(shí)現(xiàn)最高效且功耗最低的光線追蹤部署。”
RAC是一種新的低功耗專用硬件GPU組件，相比效率較低的光線追蹤架構(gòu)，它可以加速和卸載更多來自著色器內(nèi)核的光線追蹤計(jì)算。可以為開發(fā)人員提供比市場(chǎng)上的現(xiàn)有解決方案更強(qiáng)大、更具一致性的光線追蹤性能，從而支持他們?cè)阡秩酒嚒⒔巧偷匦蔚葟?fù)雜表面時(shí)提供更優(yōu)質(zhì)的效果，并創(chuàng)建出更細(xì)致的環(huán)境。
IMG CXT-48-1536 RT3 內(nèi)核具有三個(gè)光線加速集群（RAC），可提供總體高達(dá)1.3 GRay/s的性能，即使在移動(dòng)設(shè)備低功耗的情況下，也能以1080P分辨率實(shí)現(xiàn)高達(dá)60FPS的實(shí)時(shí)光線追蹤渲染，滿足日常游戲高端需求。
隨著光線追蹤技術(shù)在各種圖形處理應(yīng)用中變得越來越重要，Imagination在2020年推出了一套光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)（Ray Tracing Levels System），其中包括6個(gè)等級(jí)（Level 0-Level 5）。
0級(jí)：傳統(tǒng)解決方案
1級(jí)：傳統(tǒng)圖形處理器（GPU）軟件
2級(jí)：硬件中的光線/包圍盒和光線/三角形測(cè)試器
3級(jí)：硬件中的層次包圍盒（BVH）處理
4級(jí)：硬件中的BVH 處理和相干性分類
5級(jí)：硬件中使用場(chǎng)景層次生成（SHG）進(jìn)行相干性BVH 處理
Imagination技術(shù)前瞻副總裁 Kristof Beets表示，該等級(jí)分類用以解釋不同光線追蹤解決方案所提供的卸載數(shù)量和質(zhì)量，有了這個(gè)系統(tǒng)，開發(fā)人員和OEM廠商就可以更清晰地了解現(xiàn)在和未來可用的光線追蹤加速解決方案的功能，以及各種光線追蹤實(shí)現(xiàn)方式之間的差異。
IMG CXT采用的Photon架構(gòu)處于RTLS的4級(jí)（Level 4），是當(dāng)前業(yè)內(nèi)可用的最先進(jìn)的光線追蹤技術(shù)，為開發(fā)人員提供了一個(gè)專門用于加速光線追蹤的硬件組件，提升了光線追蹤的性能和效率，從而可為移動(dòng)游戲玩家和開發(fā)者提供桌面級(jí)質(zhì)量的體驗(yàn)。據(jù)透露，Imagination早在2016年就已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)Level 5級(jí)的光線追蹤技術(shù)，由于考慮到產(chǎn)業(yè)技術(shù)配套和市場(chǎng)平衡等方面原因，希望在一定的功耗預(yù)算下給移動(dòng)用戶帶來更好的體驗(yàn)，幾年來一直在優(yōu)化這個(gè)技術(shù)，本次Level 4的Photon架構(gòu)率先亮相。
此外，在光柵化圖形處理性能方面，IMG CXT也向前邁出了重要一步，與上一代GPU IP相比，其計(jì)算、紋理和幾何性能都提高了50%。它的低功耗超標(biāo)量（superscalar）架構(gòu)可在低時(shí)鐘頻率下提供高性能，從而實(shí)現(xiàn)卓越的幀率功耗比（FPS/W）效率，同時(shí) Imagination圖像壓縮（IMGIC）技術(shù)可以大幅降低帶寬需求。
另外我們還發(fā)現(xiàn)，Imagination的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在其多核GPU架構(gòu)方面，例如在提供更高算力的同時(shí)保持成本可控，將芯片做得更小以提升良率等。值得注意的是，其多個(gè)GPU內(nèi)核既可以獨(dú)立工作，也可以部分甚至全部組合在一起工作，以高度的靈活性來應(yīng)對(duì)各種需求不同的應(yīng)用。
得益于Imagination的多核技術(shù)，Photon架構(gòu)除了為移動(dòng)設(shè)備和汽車等應(yīng)用提供光線追蹤功能外，還可以擴(kuò)展應(yīng)用于云、數(shù)據(jù)中心、XR及桌面市場(chǎng)。這可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)9 TFLOPS（每秒萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算）的FP32光柵化性能和超過7.8 GRay/s的光線追蹤性能，同時(shí)能夠提供比當(dāng)今的RTLS 2/3級(jí)光線追蹤解決方案高2.5倍的功耗效率。
可以看到，處理效率的級(jí)進(jìn)變化，實(shí)現(xiàn)了光線追蹤的更高功率、性能和帶寬效率，對(duì)于在要求較高持續(xù)游戲性能的移動(dòng)端（且設(shè)備不會(huì)過熱，并且在合理的帶寬預(yù)算范圍內(nèi)）交付光線追蹤而言，具有十分重要的作用。而且，對(duì)于熱約束的PC和服務(wù)器/云端解決方案而言，同樣至關(guān)重要。
不斷押注中國(guó)市場(chǎng)
領(lǐng)先的技術(shù)水平自然會(huì)推動(dòng)市場(chǎng)業(yè)績(jī)的快速增長(zhǎng)。據(jù)了解，Imagination 2020年?duì)I收達(dá)到1.25億美元，同比增長(zhǎng)44%。2021年上半年?duì)I收同比增長(zhǎng)更是高達(dá)55%，達(dá)到7600萬美元。
對(duì)于公司之所以能夠取得如此強(qiáng)勢(shì)的增長(zhǎng)，Imagination公司副總裁，中國(guó)區(qū)總經(jīng)理劉國(guó)軍表示，2021上半年，Imagination簽署了超過35項(xiàng)授權(quán)協(xié)議，涉及汽車、數(shù)據(jù)中心和桌面、移動(dòng)及數(shù)字電視等領(lǐng)域。目前在智能手機(jī)GPU領(lǐng)域，Imagination擁有37%的市場(chǎng)份額，同時(shí)是汽車行業(yè)最大的GPU供應(yīng)商，市場(chǎng)份額高達(dá)45%，使用Imagination GPU IP的汽車芯片出貨量已超過2.5億顆。
能夠看到，Imagination在移動(dòng)和汽車等主要的戰(zhàn)略細(xì)分市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)了廣泛增長(zhǎng)的同時(shí)，在數(shù)據(jù)中心和桌面等新晉領(lǐng)域，Imagination的高性能 A系列和 B系列 GPU產(chǎn)品已表現(xiàn)出了巨大的吸引力，并通過這些細(xì)分市場(chǎng)的客戶實(shí)現(xiàn)了顯著的收入增長(zhǎng)。再結(jié)合本次IMG CXT的發(fā)布，Imagination在研發(fā)上不斷投入以保持快速的技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品上市步伐，持續(xù)的滿足和引領(lǐng)市場(chǎng)及客戶需求，也是其實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)的重要原因。
強(qiáng)勁的業(yè)績(jī)表現(xiàn)背后，除了領(lǐng)先的技術(shù)水平和專注于正確的細(xì)分領(lǐng)域外，對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的持續(xù)優(yōu)化和布局也是其取得快速增長(zhǎng)的關(guān)鍵所在。Imagination中國(guó)區(qū)董事長(zhǎng)白農(nóng)強(qiáng)調(diào)：“公司非常注重打造產(chǎn)業(yè)生態(tài)，在中國(guó)，Imagination除了和展銳、芯馳科技、賽昉等半導(dǎo)體企業(yè)合作外，還和騰訊（包括騰訊游戲和騰訊WeTest質(zhì)量團(tuán)隊(duì)）、百度（百度飛槳PaddlePaddle）、完美世界游戲等平臺(tái)、應(yīng)用廠商展開合作。”
此外，Imagination還和Linux基金會(huì)合作共同推動(dòng)中國(guó)客戶實(shí)現(xiàn)桌面和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用；面對(duì)增長(zhǎng)越來越快的算力需求，成立科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（IMG Labs），在架構(gòu)、工藝和算力方面持續(xù)進(jìn)行研究；與北京大學(xué)、浙江大學(xué)等知名高校在課程、教學(xué)資源和教師培訓(xùn)方面進(jìn)行支持與合作，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)的進(jìn)一步擴(kuò)展和創(chuàng)新。
白農(nóng)表示，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)Imagination整體的貢獻(xiàn)將會(huì)超過1/3，且業(yè)務(wù)增速更是在公司整體平均值之上。接下來，Imagination還將繼續(xù)加大在中國(guó)市場(chǎng)的投入和資源，從以銷售為主導(dǎo)轉(zhuǎn)向以市場(chǎng)為主導(dǎo)，積極主動(dòng)去做市場(chǎng)布局，深入了解市場(chǎng)需求，與客戶建立更戰(zhàn)略性的合作關(guān)系。同時(shí)在產(chǎn)品路線圖規(guī)劃上，Imagination也會(huì)加大在業(yè)務(wù)和資源支持方面的創(chuàng)新和投入力度，繼續(xù)將重點(diǎn)放在上述領(lǐng)域，以及當(dāng)前進(jìn)行了產(chǎn)品授權(quán)的其他領(lǐng)域，如數(shù)字電視和可穿戴設(shè)備等。除了目前的GPU、AI和連接IP之外，還將推出新的IP，例如針對(duì)上述細(xì)分市場(chǎng)的RISC-V處理器。進(jìn)一步滿足對(duì)結(jié)合GPU、CPU和AI處理器的異構(gòu)解決方案的需求。
Imagination將持續(xù)重點(diǎn)關(guān)注中國(guó)市場(chǎng)的趨勢(shì)變化和行業(yè)走向，在不斷積累、優(yōu)化已有市場(chǎng)的布局之外，未來，Imagination很可能進(jìn)入中國(guó)的其他新領(lǐng)域，如工業(yè)或醫(yī)療健康領(lǐng)域等，以技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)推動(dòng)多行業(yè)不斷向前邁進(jìn)。
寫在最后
與其他系列GPU產(chǎn)品規(guī)劃類似，IMG CXT GPU只是當(dāng)前Imagination技術(shù)創(chuàng)新的一部分，接下來還會(huì)有更多令人期待的C系列產(chǎn)品推出，在產(chǎn)品迭代和技術(shù)演進(jìn)的過程中尋找更廣闊的發(fā)展機(jī)遇。生態(tài)方面，Imagination還將不斷拓展，致力于打造從IP供應(yīng)商到芯片廠商，再到平臺(tái)、終端設(shè)備和應(yīng)用廠商聯(lián)系在一起的全產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
在多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)與市場(chǎng)沉浮中，Imagination深諳以技術(shù)創(chuàng)新為核心驅(qū)動(dòng)，持續(xù)完善生態(tài)布局，提升競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，助力客戶實(shí)現(xiàn)GPU新格局。
