芯東西（公眾號：aichip001）
作者 | ?ZeR0
編輯 | ?漠影
2023年一開年，全球第四大半導體IP供應商Imagination便推出了其D系列的首款移動GPU產品——IMG DXT，其多種配置能夠滿足從主流、高端到旗艦設備的圖形處理需求。
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，無論RAC如何配置，其光追解決方案都能達到4級。
值此時機，芯東西等多家媒體與這家知名IP供應商進行深入交流。多位來自Imagination總部及中國區的高管，在詳細解讀IMG DXT的技術優勢之余，還分享了對半導體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，芯片開發成本快速攀升，芯片設計者對第三方IP的需求不斷增長，以此加快研發進度，節省費用、時間和機會成本。
Imagination在移動GPU開發方面已經有近30年的經驗積累，并于2021年推出并授權了首個移動光追GPU，在半導體IP市場根基深厚。隨著摩爾定律趨于失效，異構計算和Chiplet日漸盛行，這也是Imagination布局的重地。
據Imagination技術產品管理高級總監Stephen Barton分享，在設計B系列GPU時，Imagination就已經做了使其能更好適應未來Chiplet中的應用的相應設計，這樣的設計理念和思路也會延續到最新推出的D系列以及后續的新GPU產品中。
Imagination的主要產品有四大類，除了聞名業界的GPU IP外，還有CPU、AI神經網絡加速器、以太網處理器EPP產品線。其中AI神經網絡加速器已在中國擁有十幾家客戶。
迄今Imagination已擁有超過3000多項專利和申請，其中GPU基礎專利最多，涉及內存和參數管理、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同根同源的精簡指令集架構MIPS，曾歸屬于Imagination。2017年，Imagination被Cambridge基金100%收購，收購前MIPS業務被剝離出去，但Imagination仍擁有很多CPU方面的專利技術。
此外，Imagination也在持續投入RISC-V的研發，將其成果應用于其產品線中。例如其DXT新品使用了遵循RISC-V協議的固件處理器，能實現40%的固件性能改善，該固件已在其汽車GPU BXS系列產品中得到驗證。受益于RISC-V的電源域特征，IMG DXT把重點放在降低空閑功率關閉不使用的GPU部分和優化隨機工作負載性能上。
Imagination首席營銷官David Harold相信，RISC-V一定會帶來顛覆性的變化，只不過這個過程需要時間，可能是十年后，他希望GPU IP可以成為諸多RISC-V架構的首選。
“我們認為最先到來的RISC-V大規模應用場景，一定會是汽車行業。”他談道，汽車行業已經越來越多地應用RISC-V架構的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。
在中國，Imagination持續加大生態建設，從整機廠到游戲廠，與各類合作伙伴進行一些相互交叉的開發工作。其生態團隊也在中國周期性、規律性地舉辦各種培訓以及Workshop。
David Harold告訴芯東西，Imagination注意到，中國市場對桌面端和數據中心端的GPU IP需求明顯高于其他國家，并朝向高端需求發展。他透露說，Imagination圍繞這些方向進行的很多開發，完全是為了滿足中國市場的高端需求。
“我們也發現中國的客戶把我們的GPU和RISC-V CPU整合到一個SoC里面，這對我們來講是相當值得興奮的，期望有任何進行包含RISC-V CPU的SoC開發客戶都可以首選考慮我們的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中國區技術總監艾克分享，手機游戲有三大趨勢值得重點關注：更真實的沉浸式體驗、更強的性能、更低的功耗。
圍繞這些趨勢，Imagination設計了最新的IMG DXT產品。該系列不但可以加速諸如游戲后處理和計算圖像學應用中的濾鏡效果，其更高的吞吐量也有助于實現更快、更低功耗的降噪算法，提高光追畫面的質量。
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%。
光線追蹤主要解決讓3D游戲場景中的光照更加貼近真實生活中的折射和反射，使畫面細節更加真實，這需要很大的資源開銷。現在，Imagination把這些光線追蹤技術帶到手機領域。
艾克將光線追蹤系統分為五級。第一級光線追蹤采用純軟件方式，第二級有更多光線碰撞反射技術，在市面上最為常見。第三、四級則加入相關性的分類、聚集和回溯功能。
以前光線追蹤技術多用在PC和主機上，設備本身的帶寬和能耗的要求能夠得到滿足，但到能耗和運算帶寬限制較大的移動端就不行了。
擅長設計移動GPU的Imagination，提供的是第四級光追技術，通過把主要光追能力部署到硬件級別，將相同方向光線需要進行的計算進行整合，進一步節省開銷，更好地兼顧移動端對提高性能和降低功耗的雙重需求。
Imagination的光線追蹤架構實現是RAC（光線加速集群），作為一個獨立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，分別可滿足從追求單位面積性能的主流機、追求更高性能的高端機到追求高級光追體驗和手機整體最優表現的旗艦機的應用需求。
IMG DXT支持Vulkan的片段著色率（FSR，Fragment Shading Rate）技術，將場景中的顏色繪制到幀緩沖器上。
FSR可在幾乎不降低圖像質量的前提下，減少片段著色器運行次數，并大幅提高圖形性能，降低占用的帶寬與功耗。節省出來的大量運算資源，則能為畫面提供更精細豐富的內容渲染，在更小的芯片面積上實現逼真的燈光和陰影。
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。
光追技術與FSR技術可以很好結合，沒有開啟FSR可能需要每幀6.9MRays的運算能力，而如果配上FSR計算，運算1或2次，細節表現更加真實，1幀畫面只需3.2MRays的光數計算能力，配合可擴展的RAC，用更小的RAC就能夠實現該場景下的游戲光追效果，從而帶來更好的沉浸式體驗。
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。
針對提高紋理和計算性能，IMG DXT搭載全新的著色器處理單元（SPU）。SPU是一個硅片，包含一個用于計算任務的算術邏輯單元（ALU）和一個用于像素著色、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，而以前的架構只側重于雙USC設計（2個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。
為了最大程度地提高帶寬效率，IMG DXT還支持更多壓縮技術，包括能夠擴大紋理在明暗區域之間的動態范圍、同時保留細節的Khronos ASTC HDR技術。
三、移動光追市場體量仍小，與生態伙伴合力擴圈
Stephen Barton認為，在移動端推廣光線追蹤技術，需要一個生態系統，硬件級別內置的光追能力不僅僅是能夠在一兩臺機器上出現，而是能夠觸及大部分的終端市場，只有這樣，游戲開發者才有動力開發更多帶有光線追蹤功能的游戲。
他推薦游戲開發者在現有游戲內容中逐步地加入光追的元素，隨著市場越來越多地用上這些硬件級別支持光追的設備，再進一步增加光追內容，以實現畫面質量的提高。
Stephen Barton將游戲開發者分為兩類：一類是專門做3A大作，主要采用的方式是在Valkan擴展的形式，通過API接口連接應用光追技術開發；另一類更多采用Unity、Unreal或者O3DE這樣的引擎。Imagination與O3DE展開合作伙伴關系，專門針對光線追蹤進行優化。
無論采用Valkan擴展還是用自己的引擎去做，都繞不開需針對移動端進行大量優化。對于這一點，Imagination在2021年發布其CXT系列產品的同時也發布了相關的光線追蹤工具，幫助開發者更輕松地完成對光線追蹤技術的開發和部署。
“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備來做相應的測試。”David Harold說，“我們的SDK可在桌面端通過模擬器看到光線追蹤最終呈現的效果。”
目前移動光追的市場體量還很小。Imagination正與OPPO、騰訊、網易、完美世界等中國生態伙伴開展大量合作，進一步激發移動游戲開發商和原設備制造商（OEM）對這項技術的興趣與投資。
OPPO軟件技術規劃總監Hansen Hong稱贊IMG DXT為在所有智能手機產品上實現領先、逼真的畫面開辟了新的可能性，讓更多移動游戲玩家能夠享受到光追與FSR。“我們期待著與Imagination一起擴展O3DE移動渲染器，使開發者能夠充分利用這項改變行業格局的開源技術。”
騰訊游戲天美工作室群技術專家李銳認為，移動游戲所面臨的一個重大難題是將所有處理能力裝入小面積的硅片，Imagination已率先在移動設備上進行了光追革命，全新DXT GPU的推出標志著能夠將PowerVR架構擴展到面積更小的硅片上，實現圖形輸出的最大化。
在騰訊游戲光子工作室群技術中心專家工程師黃健聰看來，光追是游戲圖形和渲染方面最值得期待的技術，它使開發者能夠設計和創造出高度逼真的世界。他相信新推出的IMG DXT將幫助開發者在有限的功耗范圍內創造出更好的畫面體驗。
網易游戲高級技術專家林祁斛稱，網易已經與Imagination一起優化了網易在Messiah和其獨家引擎NeoX上運行的游戲，希望通過與Imagination的密切合作，使開發者最大程度地發揮PowerVR的高性能與高能效，并讓更多人借助移動光追技術能夠享受到身臨其境的游戲體驗。
多人移動游戲供應商Carbonated Inc首席執行官Travis Boatman亦分享說，實時PVP操作需要在智能手機有限的功耗范圍內也不會影響畫面體驗的高效率、高性能GPU架構。他相信全新DTX GPU將提供業內領先的可擴展移動光追，使開發者無論是在主流設備，還是在旗艦設備上都能提供高水準的3D畫面。
結語：手游光追革命槍響，硬件加速箭在弦上
移動游戲的可及性和即時性，促使它成為當今和未來最大的游戲平臺。隨著許多PC和主機游戲向移動平臺遷移，這對移動設備在有限功率范圍內提供的性能提出更高要求，曾經僅在高端PC游戲領域盛行的光追技術也逐漸滲透到移動端。
光線追蹤正在徹底改變沉浸感。ABI Research首席分析師Michael Inouye認為，Imagination正在引領移動GPU方面的創新，通過其Photon光追架構為高端圖形處理技術的變革鋪平道路，DXT GPU是該領域一款值得關注的強大產品。
近年Imagination一直在推動移動光追的應用并推動整個生態的發展，挖掘其在智能手機游戲、擴展現實（XR）、機器人等需要兼顧高性能和高效能的領域的巨大潛力，并與汽車、桌面和數據中心領域的主要合作伙伴進行溝通。
隨著IMG DXT GPU推出，移動設備制造商能夠根據自己的設計目標，更靈活地將硬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多主流機型，市場覆蓋率進一步增加，更多手游玩家享受到優質的游戲畫面。
