2926
2020~2021年，受疫情下居家影響，手機游戲消費基數(shù)被提前抬高，2022年全球通脹下生活成本支出不斷提升，兩者夾擊壓縮2022年的全球智能手機銷量和游戲娛樂支出，全球手機游戲行業(yè)收入呈現(xiàn)見頂下滑態(tài)勢。
圖 | 全球手機游戲市場規(guī)模
信源：Statista，Sensor Tower，世界銀行，華安證券研究所
但從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度來看，手機游戲行業(yè)市場規(guī)模還未飽和，在未來幾年中有望維持穩(wěn)步自然增長。根據(jù)ABI Research發(fā)布的2022年調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，手機游戲用戶將會從現(xiàn)在的26億增長到2030年的39億，到2026年，85%的游戲玩家將首選在手機上玩游戲。無獨有偶，Statista等機構(gòu)預(yù)測，2030年全球手機游戲市場空間有望達(dá)到1566億美元（2021年876億美元，21-30 CAGR 6.7%）。
手機游戲有三大趨勢值得重點關(guān)注：一是追求真實的沉浸感體驗，畫面更細(xì)膩；二是追求更流暢的體驗，整體性能要提高；三是功耗要降低，手機續(xù)航要持久。前面兩點，我們可以將桌面游戲中的一些技術(shù)演進(jìn)借鑒到手機游戲中，最后一點必須單獨攻關(guān)。而這三大目標(biāo)，也給手機用GPU提出了更新的要求。
日前，Imagination就將其最新的GPU技術(shù)和這三大趨勢做了一個一一對應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上推出了最新的移動設(shè)備用GPU——IMG DXT系列。
圖 | GPU技術(shù)和三大趨勢
從上圖中可以看到，我們可以采用2D Dual-Rate Texturing（2D雙速率紋理處理）、Scalable ray tracing（可擴(kuò)展的光追）和ASTC HDR support來提升手機游戲用戶的沉浸感體驗；采用FSR（片段著色率）技術(shù)、2D Dual-Rate Texturing、Pipeline Data Masters和更高配的性能和運算能力來提升手機游戲用戶的流暢感體驗；采用FSR和2D Dual-Rate Texturing來進(jìn)一步降低游戲時的手機能耗，延長其續(xù)航時間。
那為什么這些技術(shù)可以起到相應(yīng)的效果呢？下面我們具體來分析一下：
- 2D Dual-Rate Texturing（2D雙速率紋理處理）
在游戲中，有了畫面以后需要在游戲后處理階段進(jìn)行額外的處理，降噪或者Super Solution，許多先進(jìn)的游戲依靠大量紋理取樣實現(xiàn)高級過濾效果。當(dāng)引入2D Dual-Rate Texturing后，相當(dāng)于開通了一條“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。如此，GPU不但可以加速諸如游戲后處理和計算圖像學(xué)應(yīng)用中的濾鏡效果；更高的吞吐量也有助于實現(xiàn)更快、更低功耗的降噪算法，提高光追畫面的質(zhì)量。
- Scalable ray tracing（可擴(kuò)展的光線追蹤）
所謂光線追蹤，就是用計算來模擬“每一條”光線運行的軌跡、效果，比如光線的反射、折射、散射和色散等，從而來實現(xiàn)無限逼近于真實的畫面光影效果，讓已經(jīng)開到頂?shù)?A大作能夠看起來更逼真。
近幾年，光線追蹤已經(jīng)成為各大手機廠商追求差異化競爭優(yōu)勢的靶點。由于這些光線的折射和漫反需要很大的資源開銷，早期即使高端的服務(wù)器也需要一定時間烘焙這些畫面，慢慢地在桌面上已經(jīng)拿到實時渲染的光追技術(shù)現(xiàn)在要拓展至移動設(shè)備領(lǐng)域，就會面臨更多資源和功耗的問題，所以目前主要是旗艦手機在用。
對于更多的非旗艦機的用戶，難道就不配擁有光追效果嗎？非也，IMG DXT系列就帶來了可配置的硬件光線追蹤RAC（光線加速集群）。從0.5 RAC到4 RAC，可涵蓋從混合實現(xiàn)方案中的簡單陰影到3A大作中的高級光追畫面等各類應(yīng)用。
- ASTC HDR support
通過引進(jìn)硬件級HDR，標(biāo)準(zhǔn)API支持，可以讓畫面的亮度、對比度更加真實。此外，為了最大程度地提高帶寬效率，IMG DXT系列支持更多的壓縮技術(shù)，其中就包括Khronos ASTC HDR，這項技術(shù)能夠擴(kuò)大紋理在明暗區(qū)域之間的動態(tài)范圍，同時保留細(xì)節(jié)。
- FSR（片段著色率）
GPU中的片段著色器將場景中的顏色繪制到幀緩沖器上。FSR是一種可以在幾乎不降低圖像質(zhì)量的前提下減少片段著色器運行次數(shù)的技術(shù)，能夠降低占用的帶寬與功耗。開發(fā)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4x4的片段區(qū)域只執(zhí)行一次著色器代碼，從而使工作負(fù)載減少近94%，實現(xiàn)同等的功耗和帶寬節(jié)省。所解放的性能使開發(fā)者能夠利用硬件來完成更多的內(nèi)容渲染，為玩家打造更高質(zhì)量的游戲體驗。
- Pipeline Data Masters
Pipelined Data Master會帶來全域性的畫圖和計算5%的性能提升，關(guān)鍵點在于之前有一個Data Master運行的時候另外一個就要等待，現(xiàn)在有了這項技術(shù)，前面Data Master運行，后面一個任務(wù)就可以提前準(zhǔn)備好，所以調(diào)度的間隙就會很小，可以帶來5%的性能提升。
- 更高的性能和運算能力
IMG DXT GPU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(wù)的算術(shù)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(shè)計（3個ALU/TPU單元），DXT GPU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(gòu)只側(cè)重于雙USC設(shè)計（2個ALU/TPU單元）。這個改進(jìn)后的模塊使Imagination能夠創(chuàng)造出最高性能的高端移動GPU--DXT-72-2304，這款GPU在1GHz時鐘頻率下具有72GTexels/s和2.5TFLOP FP32性能。
圖 | 光線追蹤功能開啟前后效果圖對比
值得一提的是，光線追蹤技術(shù)可以被分為五級。Imagination首席營銷官David Harold透露：“現(xiàn)在市面上能夠看到的任何宣稱有光線追蹤技術(shù)的手機，其實用的都還是第一級別的軟件解決方案，真正使用起來能耗會非常嚇人?！?/p>
參考Imagination在2021年發(fā)布首款硬件級光線追蹤GPU IP 時提出的光線追蹤等級系統(tǒng)（RTLS），如下圖所示：
圖 | 光線追蹤等級系統(tǒng)
具體區(qū)別是，第1級為現(xiàn)有硬件上的軟件解決方案，開銷比較大，CPU占用資源比較高；第2級增加了對一些光合或者三角形碰撞用硬件處理DTTU+PTU，節(jié)省了CPU資源，目前典型的桌面顯卡都是這項技術(shù)；第3級增加了用以處理發(fā)射光線的硬件，有了PCG也就是相關(guān)的分析、分類、聚集和對BVH的回溯能力，與第2級解決方案相比，可大大降低功耗；第4級增加了光線存儲、光線任務(wù)的調(diào)度器以及相干性聚集功能，把相同光線上的光束統(tǒng)一計算，可以用統(tǒng)一的指令運行，大大提升了計算性能，讓其可以在移動端功耗預(yù)算下應(yīng)用；第5級是一項未來等級，可在場景中實現(xiàn)更大數(shù)目的動態(tài)目標(biāo)，并帶有額外的硬件加速。
圖 | IMG DXT系列產(chǎn)品型號
據(jù)悉，IMG DXT系列就屬于第4級，該系列的旗艦產(chǎn)品DXT-72-2304能夠提供超高端移動設(shè)備所需的性能，具有72 GTexels/s和2.5 TFLOP FP32算力。與上一代產(chǎn)品相比，其最大單核性能提升了50%。DXT核的單位面積性能密度比IMG CXT GPU高出20%，同時大幅降低了功耗。
然而，IP始終還是走在芯片和應(yīng)用的前面了，很多人覺得手機上光追就是PPT層面，甚至稱其為“有生之年”系列。對于這個質(zhì)疑，David Harold認(rèn)為：“主要原因是市面上某些廠商的產(chǎn)品雖然技術(shù)成功了，但能耗過大，難以在手機上得到實際應(yīng)用。這也恰恰體現(xiàn)出Imagination 第4級別的光線追蹤對性能和能耗優(yōu)化的重要性?！?/p>
事實上，不同廠商GPU的策略是不太一樣的，IMG DXT系列從算力上并不那么突出，與競爭對手ARM以及高通相比，IMG DXT系列的旗艦型號DXT-72-2304算力水平與兩者上一代天璣9000的Mali-G710 MC10或者驍龍8 Gen1的Adreno730差不多。但不說算力和性能不能劃等號，手機游戲上追光之所以 “難產(chǎn)”，最大的問題還是出在功耗上面。
至于DXT能否讓市場滿意，還得等待時間驗證。據(jù)悉，IMG DXT系列預(yù)計會在18-24個月內(nèi)商用。而隨著三星、OPPO、vivo、小米等主流下游廠商的硬件光線追蹤產(chǎn)品的推出，2023年注定是手機支持光線追蹤的關(guān)鍵一年。
