光追GPU市场，Imagination再下一城

据IC Insights数据显示，2021年全球GPU芯片市场规模超过220亿美元，2015-2021年全球GPU芯片市场规模增速超过20%。

2015-2021年全球GPU芯片市场规模（单位：亿美元；图源：前瞻产业研究院）

JPR预计，2027年全球GPU芯片行业市场规模或将达到近330亿美元。

随着市场需求和技术演进，在传统行业持续更迭与新兴市场的不断崛起中，在多重因素交织影响下，GPU已经完成“蜕变”，从最早用于2D/3D图形的计算和处理，到近年来凭借并行处理和通用计算的优势成为数据中心、5G、AIoT、自动驾驶等领域关键算力的基础设施。

作为底层技术的支撑角色，GPU在给众多行业带来更多可能性的同时，也迎来了广阔的市场空间。

在GPU市场发展如火如荼的今天，行业新老厂商纷纷入局，在追求产品性能与上市速度的赛道上卯足了火力。

光线追踪技术为图形图像的真实感带来了质的飞跃，通过模拟真实世界中光线的表现，它可以创造出与现实生活几乎无异的三维（3D）场景。但由于其计算的复杂性，光线追踪更多只是应用在台式机和游戏机上。

而目前，移动游戏的可及性和即时性促使它成为当今和未来最大的游戏平台。ABI 2022年的调查显示，手机游戏用户将从26亿增长到2030年的39亿，预计到2026年，有85%的游戏玩家首选在手机上玩游戏。

因此，手机上的游戏体验至关重要，为了提升游戏体验和画面质量，曾经在高端PC和游戏机领域的光线追踪技术已经开始向移动设备渗透，这也催生了新的市场需求，即提供高性能的设备，在移动设备有限的功率范围内平衡图形输出，这进而也影响到了对IP产品的设计。

2021年底，Imagination Technologies（下文简称：Imagination）凭借IMG CXT革命性的Photon光追架构，为高端图形处理技术的变革铺平了道路，使得开发者可以在移动端实现桌面级的画面视觉效果，为游戏玩家提供了更好的游戏体验，给整个产业带来一些变化。

在此基础上，Imagination日前又带来了新品。在前几天的新品发布会上，Imagination宣布推出了新一代开创性的光追GPU“IMG DXT”，将为所有移动设备用户带来更先进的图形技术；从高端到主流设备，IMG DXT将使移动设备制造商能根据自身的设计目标，将光线追踪技术集成到其SoC中。

据介绍，IMG DXT GPU具有多种配置和性能，可以从节省面积的0.5 RAC（光线加速集群）配置扩展到高性能的4 RAC设计，涵盖从混合实现方案中的简单阴影到3A大作中的高级光追画面等各类应用。追求产品差异化的主流设备制造商可以选择节省面积的半尺寸光线加速集群（RAC）配置，而追求高端性能的OEM可以选择单、双或四RAC配置打造终极移动视觉体验。

按照上述弹性扩展方案，Imagination推出了三种配置示例，这三种配置分别面向主流机、高端机和旗舰机。主流机更在意单位面积性能，高端机在于更高的性能实现，旗舰机追求更高性能和手机整体表现。每种配置有不同的FP32算力和纹理填充率，以及可选的光线追踪加速硬件。

在性能参数方面，以IMG DXT-72-2304为例，该GPU能够提供超高端移动设备所需的性能，具有72 GTexels/s和2.25 TFLOP FP32算力。与上一代产品相比，其最大单核性能提升了50%。DXT核的单位面积性能密度比IMG CXT GPU高出20%，同时大幅降低了功耗。

此外，值得关注的是，Imagination推出的革命性Photon架构代表了十年来推动光线追踪在低功耗设备上应用的发展成果，在视觉效果可能性方面，为智能手机、平板、笔电以及汽车解决方案带来了飞跃式进展。

据悉，DXT的Photon架构也是目前唯一达到光追系统（Ray Tracing Levels System ，RTLS）4级的光追设计，这意味着它能够以业内效率最高的方式提供领先的视觉效果。

RTLS是Imagination在2020年推出的一套光线追踪等级系统，其中包括6个等级（Level 0-Level 5）：

· 0级：传统解决方案

· 1级：传统图形处理器（GPU）软件

· 2级：硬件中的光线/包围盒和光线/三角形测试器

· 3级：硬件中的层次包围盒（BVH）处理

· 4级：硬件中的BVH 处理和相干性分类

· 5级：硬件中使用场景层次生成（SHG）进行相干性BVH 处理

据介绍，IMG GPU采用的Photon架构处于RTLS的4级（Level 4），是当前业内可用的最先进的光线追踪技术，为开发人员提供了一个专门用于加速光线追踪的硬件组件，提升了光线追踪的性能和效率，从而可为移动游戏玩家和开发者提供桌面级质量的体验。

对于本次推出的IMG DXT GPU新品，无论RAC如何配置，Imagination的光追解决方案都能达到4级，与相同移动配置下的CXT相比，DXT能够将提供可用光追的面积成本降低40%。

除了算力的大幅提升之外，考虑到光追对于GPU处理性能的极大消耗，因此还需要其他的技术来让GPU发挥出更高的效率，比如说FSR（片段着色率）技术。

IMG DXT支持Vulkan的FSR技术，能为开发者带来性能上的裕量。FSR在尽可能不影响视觉质量的前提下减少处理的片段数量并大幅提高图形性能，比如说原来4X4的片段需要执行16次着色器代码，而现在最低只要1次就可以，让GPU的工作负载降低94%，从而实现功耗以及带宽的大幅减少。同时通过减少投射到场景中的光线提高光追的效率，这意味着可以在更小的硅片面积上实现逼真的灯光和阴影，在带来更长续航的同时，为玩家打造更高质量的游戏体验。

从产业现状和发展趋势来看，光追是游戏图形和渲染方面最值得期待的技术，它使开发者能够设计和创造出高度逼真的世界。目前许多先进的游戏依靠大量纹理取样实现高级过滤效果。

IMG DXT GPU具备2D双速率纹理处理，其纹理处理单元（TPU）内置一个已获得专利的创新特殊模式，能够为这些后处理效果创建一条“快速通道”，在使双线性滤波性能几乎翻倍的同时，最大程度地减少面积的增加并降低整体功耗。该GPU不但可以加速诸如游戏后处理和计算图像学应用中的滤镜效果；更高的吞吐量也有助于实现更快、更低功耗的降噪算法，提高光追画面的质量。

鉴于新产品的技术和性能优势，Imagination公司首席营销官David Harold表示：“随着移动游戏市场的不断增长，我们需要平衡该市场对低功耗的要求和对逼真沉浸式画面的渴望。作为高效移动光追领域的领导者，我们正在加快光追的采用并推动整个生态的发展。”

随着产业和技术变革，目前光线追踪技术已经开始在移动市场崭露头角，随着相关产品的陆续迭代，Imagination希望可以借助DXT GPU让移动设备实现真正的光线追踪，让光线追踪不单单仅仅是旗舰设备的专属，主流设备也可以享受到光线追踪带来的真实画质表现，同时满足移动设备兼顾性能与续航的严苛需求。除了移动设备之外，Imagination也称未来将会让DXT GPU授权给更多的设备，包括汽车、桌面和数据中心等领域。

除了手机游戏领域的布局，汽车市场也是Imagination的重点关注所在。

近年来，全球汽车产业朝着电气化、网联化、智能化和共享化等“新四化”方向发展，汽车电子系统及相关芯片的价值不断提升，在这个演进过程中，对算力的需求也在不断快速提升，因此采用GPU等硬件加速器来实现异构计算已成为必然。

面对当前汽车产业的技术变革，Imagination能够提供完整的异构计算IP解决方案，从而帮助中国芯企业面向自动驾驶、ADAS和新一代智能座舱等应用开发技术领先的汽车芯片。

Imagination公司副总裁兼中国区总经理刘国军表示，Imagination的GPU技术和IP产品长期以来推动了许多创新，搭载Imagination IP产品的汽车芯片累计出货量已超过3亿颗，一直在汽车应用领域中保持着GPU IP市场份额第一。

David Harold也在发布会上表示，基于先进的、获得车规认证的GPU IP，Imagination推出的汽车人机界面（HMI）、ADAS和硬件虚拟化等技术受到了全球芯片设计企业、Tier1和主机厂的广泛欢迎。

另外，汽车行业真的已经开始越来越多地应用RISC-V架构的CPU，Imagination第一家RISC-V的客户就是车企，现在有越来越多的企业尝试RISC-V架构，可以看到Google定义未来各种设备都会采用RISC-V，包括移动端。Imagination认为率先大规模使用RISC-V的场景将会是汽车行业。

综合来看，Imagination的每一个产品系列都会沿着汽车的安全性和功能安全性标准去做相应的开发，从而帮助下游的芯片设计企业去开发符合车规要求和性能需求的芯片，并快速通过相关认证。并且Imagination针对汽车市场需求开发的差异化技术，能够帮助芯片设计企业以更高的安全性和更短的集成时间来形成差异化的优势。

在这个过程中，面对中国汽车行业在全球汽车产业中的异军突起之势，以及新旧造车势力加速引入智能技术，再加上集成电路产业在车用计算架构与能力、以及安全性等方面不断形成突破的产业变局。

刘国军表示，Imagination也正在与越来越多的中国汽车芯片企业合作，以其完整的IP产品和丰富的汽车产业应用经验，携手补齐中国汽车供应链中芯片的薄弱环节。

另一方面，除了众所周知的Imagination的GPU IP，Imagination还推出了不同的处理器平台。

在AI加速领域，Imagination也深耕了多年，相关产品已经投入市场；在CPU方面，源于Imagination剥离MIPS之际保留的大量CPU专利和技术储备，2021年Imagination发布了RISC-V指令集的CPU IP Catapult，旨在满足下一代异构计算的需求。

去年又正式推出 IMGRTXM-2200，是Catapult 产品线中的第一个RISC-V 处理器核。它可以集成到复杂的SoC中，应用范围包括网络解决方案、数据包管理、存储控制器、用于AI摄像头和智能计量的传感器管理等。

不久前，Imagination升级为RISC-V International高级会员并将继续致力于推动RISC-V生态系统的发展。此次升级后，Imagination将为社区带来异构计算和IP领域的关键知识与技术，最终为芯片设计者提供更多的选择并帮助开辟RISC-V的未来。

基于在CPU、GPU、AI加速器的IP布局，以及软件栈及异构计算开发平台的搭建，Imagination打造了完整的异构计算平台。GPU+CPU+AI神经网络加速器的异构组合，是满足算力需求的先进架构，适用于自动驾驶、数据中心等高算力应用场景。

与此同时，火热的Chiplet开启了IP的新型复用模式，也为IP厂商的经营模式带来了全新变革。

过去几十年来，芯片制程迭代沿着摩尔定律滚滚向前，并持续增强着芯片的算力与性能。现如今，无论是在SoC上集成越来越多的功能模块，又或是利用Chiplet技术在先进制程下进一步提升芯片集成度，都充分展现了芯片性能、功耗和成本的改进不能仅仅依赖于制程的升级，而需从不同的维度拓展创新来延续摩尔定律的“经济效益”。

David Harold表示，我们确实对Chiplet非常感兴趣，作为一家IP公司，Chiplet对Imagination来说肯定是非常值得关注的一个领域，意味着我们可以把原有的IP进行重复使用，再加上异构计算的趋势，可以为具体应用创造更多不同的制造过程和设计。

对于业内小公司来讲，如果直接去做SoC比较困难的话，Chiplet也是一个比较好的切入点和新的切入方向。

不过，大家在Chiplet方面仍然面临着一些挑战，最大的挑战就是接口过于碎片化，但这样的挑战比起Chiplet的发展给大家带来的益处而言，值得大家去克服。David Harold认为，Chiplet可能不会那么快的在手机应用场景中展开，但其它场景比如汽车电子或消费电子，Chiplet都将大有可为。

针对上面提到的汽车市场，随着自动驾驶等应用的发展，异构计算变得越来越重要。面对如何处理庞大数据的挑战，此前Imagination的GPU和AI处理器已被应用到智能驾舱中。未来为了满足如L4、L5级自动驾驶等更高算力的需求，则可通过GPU+CPU+AI 的异构计算实现，这也是未来行业发展的趋势所在。

刘国军在分享中指出，目前公司IP主要销售给智能手机芯片、汽车芯片领域、数据中心以及桌面电脑级渲染相关等领域客户。整个公司过去两年内的年增长率达到33%，中国是一个重点的发展和投入的地方，员工的人数增长高达57%，成为过去几年推动中国半导体行业大力发展的构建者之一。

近几年Imagination在国内芯片产业生态建设，以及业务增长各个方面都有非常快速的发展，作为硅IP主要提供商，Imagination未来将加大中国的生态建设，从整机厂到游戏厂，跟整个行业、客户以及合作伙伴一起做密切联系和互相交叉工作，希望提供该公司拥有这些核心技术以及IP价值位置，能够为中国半导体产业市场做出应有贡献。

面向中国这个巨大和创新的市场，Imagination将持续提供核心技术，并加大在中国的市场投入。这两年预计会在更多市场，尤其是国产芯片上看到Imagination IP产品的身影。

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