三、架構解析之RT核心、光線追蹤

圖靈架構和RTX 20系列的最大亮點和賣點當然是——游戲實時光線追蹤！

從第一顆GPU NVIDIA GeForce 256誕生至今已經整整19年，GPU規模和技術越來越發達，但是最底層的圖形渲染技術其實幾乎一成不變，始終都是光柵化渲染，通過計算三角形和多邊形來獲得畫面輸出，好處是資源消耗容易控制，壞處就是距離真實畫面相差甚遠，甚至永遠不可能接近。

光線追蹤(Ray Tracing)技術則堪稱圖形界的“圣杯”，簡單地說就是在圖形渲染過程中實時跟蹤物體和環境的光線，準確進行光線反射和折射、全局照明、物理陰影的繪制，可以帶來近乎百分之百真實的渲染畫面，尤其是光影效果。

光線追蹤技術其實并不新鮮，1969年的時候在IBM工作的Arthur Appel就提出了這種概念，當時叫做Ray Casting，距今已經整整半個世紀。

1979年，Turner Whitted研究出了遞歸光線追蹤算法(Recursive RayTracing Algorithm)。

1984年，Carpenter等人發表了一篇關于分布式光線追蹤的論文《Distributed RayTracing》，影響甚廣。

但是，光線追蹤的算法非常簡單，稍有計算機圖形只是的人都能理解，關鍵在于如何優化提高效率，因為它需要的計算量太過龐大，想想要實時計算場景中無數光線每時每刻的各種傳播，那是多么恐怖，以前的GPU根本無力承擔實時計算。

因此直到2006年迪士尼的《汽車總動員》(Cars)，影視行業才開始使用光線追蹤渲染，如今大多數的照片級渲染系統多時基于光線追蹤的，但背后都是超大規模的計算機群在吃撐，一幀畫面往往都要渲染幾個小時。

雖然大家都在努力，但就在一個月前，如果說普通顯卡可以在游戲里實現光線追蹤(盡管是有條件的)，相信絕大多數人都不會相信，但是NVIDIA的圖靈做到了。

NVIDIA在圖靈架構中集成了最多72個RT Core核心，每個SM單元一個，專門用來服務光線追蹤運算，等于一個特殊的專用單元，由硬件加速取代軟件模擬，效率自然要比CUDA這種通用單元高很多，就像GPU做并行計算比CPU強得多

簡單來說，圖靈架構的光線追蹤運算步驟是這樣的：著色器單元首先發出光線探測請求，RT Core核心就開始完全接管下邊的工作，并分為兩個過程，其中包圍盒求交評估單元(Box Intersection Evaluators)進行包圍盒的獲取和解碼，并進行求交測試，得到子包圍盒或者三角形。

如果是子包圍盒，就返回重新執行，重復剛才的步驟。如果是三角形，那就交給三角形求交評估單元(Triangle Intersection Evaluators)，做下一步的求交測試，直到得到最終結果并輸出給著色器，進行最終渲染。

看懵了對吧？懵了就對了……

整個光線追蹤計算過程中，運用的主要是BVH算法，也就是Bounding Volume Hierarchy Traversal，層次包圍盒遍歷的意思。

比如渲染對象是一只兔子，要幾算一條光線和兔子本身的交互，就把兔子所在空間劃分成N個包圍盒，計算光線和哪一個包圍盒相交，是的話就再把這個包圍盒繼續劃分成N個更小的包圍盒，再次計算相交，如此反復，一直找到和光線相交的三角形所在的包圍盒，再對這個三角形進行最終的渲染。

BVH算法可以大大減少計算每一條光線最近相交點所需要遍歷的三角形數量，而且只需要進行一次就能給所有光線使用，大大提高了執行效率。

除了硬件方面的工作，軟件方面既有NVIDIA自己的OptiX光線追蹤引擎、GameWorks SDK光線追蹤模塊，也有微軟的DirectX 12 Ray-Tracing(DXR) API、Windows ML中間件，后者會在即將發布的Windows 10 2018年秋季更新版中正式提供。

性能方面，RTX 2080 Ti在精簡了四個只有68個RT核心的情況下，每秒鐘可以計算超過100億條光線，大約等于100TFlops(每秒1000億次浮點運算)。

而上代GTX 1080 Ti雖然也能執行光線追蹤，但因為沒有專用單元和算法，效率只有RTX 2080 Ti的大約十分之一，不足以實時用于游戲。

接下來欣賞欣賞NVIDIA RTX光線追蹤的效果和對比：

↑↑↑官方DEMO

目前支持NVIDIA光線追蹤技術的游戲有11款(和首發時相比沒變)，分別是：

－ 《神力科莎》 (Assetto Corsa Competizione)

－ 《原子之心》 (Atomic Heart)

－ 《戰地5》 (Battlefield V)

－ 《控制》 (Control)

－ 《應征入伍》 (Enlisted)

－ 《逆水寒》 (Justice

－ 《劍網3》 (JX3)

－ 《機甲戰士5：雇傭兵》(MechWarrior 5:Mercenaries)

－ 《地鐵：離去》

－ 《Project DH》

－ 《古墓麗影：暗影》(Shadow of the Tomb Raider)

不過，RTX 20系列上市初期，可以玩的光線追蹤游戲暫時還是零，比如《古墓麗影：暗影》首發不支持得后期打補丁，《戰地5》則跳票了。