光線(xiàn)追蹤——光線(xiàn)處理的魔術(shù)師

VSIA

光線(xiàn)，永遠(yuǎn)是3D畫(huà)面中最為顯眼的因素。適宜的光線(xiàn)會(huì)讓畫(huà)面看起來(lái)和諧美觀(guān)，在DirectX 9時(shí)代，計(jì)算機(jī)對(duì)于光線(xiàn)的計(jì)算和處理達(dá)到了一個(gè)新的高度一特別是HDR技術(shù)的引入，使得細(xì)微光線(xiàn)和明暗對(duì)比都得到了重大的進(jìn)步。但我們?nèi)匀粵](méi)有停止對(duì)畫(huà)面品質(zhì)的追求。光線(xiàn)追蹤技術(shù)開(kāi)始加快了它普及的步伐。

游戲畫(huà)面中，我們感覺(jué)場(chǎng)景中的物體缺少和光線(xiàn)的互動(dòng)。這是因?yàn)槟壳暗挠?jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算水平讓“光線(xiàn)”喪失了反射、折射、散射等特性。我們無(wú)法看到樹(shù)葉、墻壁、云彩等環(huán)境物體自身的反射折射光。結(jié)果就算我們?cè)诋?huà)面中使用精密的頂點(diǎn)模型及大量細(xì)致的多層貼圖，最后也無(wú)法擺脫計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)渲染畫(huà)面帶給人的“假”的感覺(jué)。

光線(xiàn)追蹤——找回失去的光線(xiàn)

光線(xiàn)追蹤(RayTracing)，這個(gè)古老而年輕的術(shù)語(yǔ)或許將彌補(bǔ)未來(lái)光線(xiàn)的缺失。說(shuō)它古老，是因?yàn)樗缫褢?yīng)用在CG動(dòng)畫(huà)以及一些高級(jí)圖形處理中。說(shuō)它年輕，是因?yàn)槭苤朴谟?jì)算機(jī)硬件技術(shù)的缺陷和計(jì)算能力的不足，很少出現(xiàn)在實(shí)時(shí)運(yùn)算的3D畫(huà)面中。光線(xiàn)追蹤實(shí)際上是以模擬真實(shí)世界中的物理狀況為目標(biāo)，對(duì)光線(xiàn)的各種照射和折射情況作出模擬的運(yùn)算技術(shù)。在光線(xiàn)追蹤中，我們可以通過(guò)模擬光的自然流動(dòng)，并模擬有關(guān)折射、反射以及光在半透明物質(zhì)中的陰影以及色滲的物理效果，完成對(duì)各類(lèi)相關(guān)畫(huà)面效果的處理。在現(xiàn)實(shí)世界中光源和它們所發(fā)出的光線(xiàn)的散射、折射、漫射等活動(dòng)構(gòu)成了光環(huán)境。在計(jì)算機(jī)處理中，往往由于硬件水平不足，只能減少光線(xiàn)的處理。一般情況下，對(duì)于煙霧、光線(xiàn)等物質(zhì)的處理都采用非常簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，一般處理中，單光源或者雙光源的場(chǎng)景比較常見(jiàn)，多至4光源就不多見(jiàn)了，更不要說(shuō)復(fù)雜的光線(xiàn)追蹤處理。

目前我們可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的是在一個(gè)物理場(chǎng)景中對(duì)于光線(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的追蹤處理。僅僅處理那些最終能夠“到達(dá)”屏幕的光線(xiàn)，并對(duì)光線(xiàn)的折射反射次數(shù)做出限制。這樣能一定程度改善光照效果：

1．首先確定光源點(diǎn)。將觀(guān)察者的眼睛作為光源點(diǎn)，僅僅計(jì)算能夠“看到”的部分。

2．對(duì)于每束光，找出光束與表面最近的交叉點(diǎn)，確定交叉點(diǎn)的表面顏色，并且根據(jù)場(chǎng)景中的光照調(diào)整此顏色。

3．追蹤計(jì)算每一束光線(xiàn)的照射，并且使用光線(xiàn)的折射或者反射光線(xiàn)再次計(jì)算，最后得到整個(gè)場(chǎng)景的光照效果。

實(shí)際操作遠(yuǎn)比描述的復(fù)雜。目前，一些游戲愛(ài)好者和廠(chǎng)商已經(jīng)在開(kāi)發(fā)相關(guān)光線(xiàn)追蹤補(bǔ)丁。在著名游戲Quake4中加入了光線(xiàn)追蹤的算法后整體游戲的光影效果為之改觀(guān)。

追蹤未來(lái)——下一個(gè)特效熱點(diǎn)

在德國(guó)，一些玩家用20個(gè)AthlonXP 1800+處理器集群和一個(gè)自行設(shè)計(jì)的FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)，完成了Quake 3的512×512畫(huà)面光線(xiàn)追蹤渲染，效果相當(dāng)驚人。

光線(xiàn)追蹤技術(shù)對(duì)于畫(huà)面效果的改善是如此的明顯，但也需要極高的硬件條件。光線(xiàn)追蹤將在DircetX 10甚至更新的版本中被強(qiáng)力支持。在統(tǒng)一渲染架構(gòu)的GPU／VPU成熟之后，光線(xiàn)追蹤計(jì)算應(yīng)該被顯卡的強(qiáng)力浮點(diǎn)運(yùn)算性能支持?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，光線(xiàn)追蹤必將成為未來(lái)顯卡的基礎(chǔ)支持功能，就像HDR那樣火熱起來(lái)，隨之而來(lái)的是畫(huà)面效果的又一次飛躍——我們?cè)絹?lái)越接近真實(shí)了。

Core 2 Quad的勁敵——AMD Barcelona四核處理器淺析

八 戒

AMD首款原生四核心處理器

相對(duì)于Intel的Kentsfield及此前的Quad FX平臺(tái)，AMD強(qiáng)調(diào)Barcelona是首顆原生四核CPU。Kentsfield僅是將2顆雙核cPU集成在一起，并不是原生四核處理器，Core 2 Duo芯片內(nèi)部的雙核心可以共享二級(jí)緩存，具有較高的協(xié)作效率，但如果兩顆Core 2 Duo芯片要進(jìn)行任務(wù)協(xié)作，缺乏直接的通訊渠道，只能通過(guò)“共享前端總線(xiàn)一北橋(內(nèi)存控制器)一內(nèi)存”才可以完成二級(jí)緩存的數(shù)據(jù)同步，這個(gè)過(guò)程需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的延遲，從而導(dǎo)致運(yùn)作效率的降低。而AMD的Barcelona是真正將四核心集成在一片晶圓上，最大好處就是降低了四核心之間傳輸瓶頸，而且借助內(nèi)置內(nèi)存控制器的特點(diǎn)大大降低內(nèi)存延遲，使得對(duì)cPU的緩存的依賴(lài)也大幅減少。

全面提升浮點(diǎn)性能及SSE指令執(zhí)行效率

Barcelona一項(xiàng)重要的改進(jìn)就是和core2架構(gòu)一樣具備128位SSE執(zhí)行位寬，一個(gè)頻率周期內(nèi)可執(zhí)行一個(gè)128位SSE指令。配合完整的128位SSE執(zhí)行單元以及龐大的執(zhí)行單元數(shù)目，Barcelona架構(gòu)可在一個(gè)頻率周期內(nèi)同時(shí)執(zhí)行128位乘法、128位加法、128位數(shù)據(jù)加載與128位數(shù)據(jù)回存，或者是4個(gè)32位單倍浮點(diǎn)精度乘法與4個(gè)32位單倍浮點(diǎn)精度加法運(yùn)算，將是目前的K8的兩倍。Barcelona架構(gòu)大幅改進(jìn)的SSE效能，更利于多媒體應(yīng)用。

除了擴(kuò)展SSE執(zhí)行位寬外，Barcelona處理器的浮點(diǎn)調(diào)度單元也擴(kuò)展到128位，使Barcelona架構(gòu)處理器在浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)、向量SSE數(shù)據(jù)的分派、傳輸、解碼速度三方面同時(shí)達(dá)到現(xiàn)有K8架構(gòu)同頻率處理器的兩倍速度。這也使Barcelona架構(gòu)在基于x87浮點(diǎn)指令的應(yīng)用程序中的性能大幅提高。但在基于SSE／2／3的浮點(diǎn)應(yīng)用程序中，Barcelona仍會(huì)輸給Core 2 Quad Barcelona實(shí)現(xiàn)了單周期執(zhí)行同一種并行SSE2指令，這點(diǎn)和Core 2 Quad是一樣的，而K8需要2周期。不過(guò)，Core 2 Quad可以利用SSE2指令每個(gè)周期實(shí)現(xiàn)兩個(gè)雙精度乘／加運(yùn)算，而B(niǎo)arcelona卻受到限制，同時(shí)在整數(shù)應(yīng)用中，Barcelona還是處于劣勢(shì)。游戲性能由Core 2 Quad領(lǐng)先的局面，不會(huì)有太大的改變。

Barcelona對(duì)浮點(diǎn)單元做擴(kuò)展也將帶來(lái)一些問(wèn)題，那就是Barcelona主頻將難以提升，將抵消65nm工藝的優(yōu)點(diǎn)。因此，早期的Barcelona在主頻上將低于Core 2 Quad，在效率上也不是同頻Core 2Quad的對(duì)手。Barcelona的最優(yōu)競(jìng)爭(zhēng)力是x87浮點(diǎn)應(yīng)用，但是SSE／2／3浮點(diǎn)應(yīng)用、游戲性能也將繼續(xù)和K8一樣弱于同頻Core 2 Quad。

增強(qiáng)型分支預(yù)測(cè)機(jī)制及專(zhuān)用堆棧管理器

引入增強(qiáng)型分支預(yù)測(cè)器也是Barcelona一大特色。一般而言，CPU采用的分支預(yù)測(cè)技術(shù)的精準(zhǔn)性決定該CPU構(gòu)架最適合的流水線(xiàn)寬度和級(jí)數(shù)。分支預(yù)測(cè)器能夠正確預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)就相當(dāng)于cPu能夠處理的最佳數(shù)據(jù)量，只有這部分?jǐn)?shù)據(jù)能夠成為被準(zhǔn)確處理的信息。在K8時(shí)代，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的原因，K8架構(gòu)最重要的軟肋就是沒(méi)有間接分支預(yù)測(cè)器。而Prescott芯片加入間接分支預(yù)測(cè)器后，整體預(yù)測(cè)錯(cuò)誤率降低了12％，因此，AMD在Barcelona中增加了一個(gè)512路的間接分支預(yù)測(cè)器，相對(duì)直接分支預(yù)測(cè)器給予CPU一個(gè)精準(zhǔn)的地址，間接分支預(yù)測(cè)器給予了CPU大量的內(nèi)存中所可能使用的數(shù)據(jù)，對(duì)Barcelona的性能提高有相當(dāng)?shù)暮锰帯?/p>

Barcelona不僅僅加入了新的間接分支預(yù)測(cè)器，它的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也擴(kuò)大了兩倍，并記錄了更多的歷史預(yù)測(cè)結(jié)果，從而提升分支預(yù)測(cè)的正確率。除此之外，Barcelona處理器也引入了類(lèi)似Pentium M的專(zhuān)用堆棧管理器功能來(lái)減少處理量。Barcelona還將具有Out-of-order load execution(亂序載和處理)能力，某些指令在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中可以繞過(guò)其他指令的處理，而且指令的存儲(chǔ)也可以不按順序進(jìn)行，這在某些環(huán)境下對(duì)效率的提高有著很關(guān)鍵的作用。

共享式L3緩存設(shè)計(jì)

AMD的CPU架構(gòu)一直在緩存容量上落后于Intel，擁有整合內(nèi)存控制器的K8架構(gòu)僅依靠512KB的1．2緩存就能夠擊敗當(dāng)時(shí)的對(duì)手Pentium 4。直到現(xiàn)在主流的Athlon 64 X2也依然保持著512KD緩存。現(xiàn)在，考慮到多線(xiàn)程軟件對(duì)多核心的要求，也需要更高速的緩存來(lái)保持更好的性能，AMD處理器的緩存終于走上擴(kuò)容之路。

但AMD并不像Intel那樣采用大容量L2 cache設(shè)計(jì)，而是在Barcelona中追加一個(gè)2MB的L3緩存，并且4個(gè)核心共享。在緩存設(shè)計(jì)上，Barcelona處理器的每個(gè)核心都有32KB+32KB的一級(jí)緩存，256KB的二級(jí)緩存和共用的2MB三級(jí)緩存，其中L1緩存和L2緩存依然分別是2路和16路，L3緩存則是32路。快速的32路L3緩存不僅可以更好地滿(mǎn)足多任務(wù)并行，而且對(duì)單任務(wù)的執(zhí)行也有著較大積極作用。尤其在3D運(yùn)用方面，2MB的L3緩存將對(duì)性能產(chǎn)生極大的推進(jìn)作用。

更為高效的內(nèi)存控制器

Barcelona仍將整合內(nèi)存控制器。Intel處理器必須通過(guò)前端總線(xiàn)共享內(nèi)存，如果系統(tǒng)中存在多個(gè)處理器，這些處理器無(wú)法直接通訊，必須通過(guò)“前端總線(xiàn)—芯片組一內(nèi)存”的鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，不僅內(nèi)存延遲時(shí)間較長(zhǎng)，而且耗費(fèi)資源。雖然Intel未來(lái)將通過(guò)多個(gè)內(nèi)存控制器和FB-DIMM模組來(lái)緩解問(wèn)題，但隨著處理器數(shù)量的增加，系統(tǒng)很容易出現(xiàn)內(nèi)存資源緊張，導(dǎo)致協(xié)作效率越來(lái)越差。處理器的數(shù)量越多，這樣的沖突就越頻繁。為了盡可能降低沖突，Intel拿出的辦法就是使用大容量的緩存，但緩存必須與內(nèi)存數(shù)據(jù)保持同步，緩存容量越大，保持?jǐn)?shù)據(jù)同步的資源開(kāi)銷(xiāo)就越大。

AMD的Barcelona架構(gòu)擁有專(zhuān)門(mén)的內(nèi)存控制器，可同時(shí)支持DDR3／DDR3／FB-DIMM等內(nèi)存規(guī)范，每顆處理器都擁有屬于自己的內(nèi)存資源，訪(fǎng)問(wèn)延遲極低。其次，Barcelona通過(guò)5．2Gbps的低延遲Hyper Transport 3．0總線(xiàn)與其他的Barcelona處理器連接，如果采用32位總線(xiàn)，總線(xiàn)帶寬將達(dá)到20．8Gbps，通過(guò)直連總線(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)處理器可以直接通訊，始終保持極高的任務(wù)協(xié)作效率。Barcelona處理器的內(nèi)存控制器采用雙64bit設(shè)計(jì)，兩個(gè)控制器可以獨(dú)立運(yùn)行，使處理器執(zhí)行多任務(wù)能力有一定提高。而且Barcelona還改進(jìn)了數(shù)據(jù)預(yù)取器的數(shù)據(jù)寄存方式，直接將數(shù)據(jù)寄存入L1緩存中，相比K8架構(gòu)中寄存入L2緩存的做法，新的數(shù)據(jù)預(yù)取器準(zhǔn)確率更高，速度更快，內(nèi)存性能及CPU整體性能將得益于此。

Barcelona還可以支持DDR3內(nèi)存和FB-D1MM標(biāo)準(zhǔn)，非常彈性，可以讓廠(chǎng)商和用戶(hù)自己決定采用何種內(nèi)存。

更為先進(jìn)的省電技術(shù)

伴隨核心的增加，隨之而來(lái)的是功耗問(wèn)題。Barcelona除了采用更先進(jìn)的65nm制程外，還引入一項(xiàng)名為DICE(Dynamic Independent Core Engagement)的新技術(shù)。通過(guò)DICE功能，Barcelona的處理器核心和北橋部分將采用不同的電源通道，可令每個(gè)處理器核心都能使用獨(dú)立的動(dòng)態(tài)電源管理，ACPI層可以單獨(dú)動(dòng)態(tài)地控制每個(gè)核心功耗，當(dāng)部分核心處于閑置時(shí)可把它的核心電壓及頻率降低，就不會(huì)影響正在全速運(yùn)算的其他核心。當(dāng)用戶(hù)只運(yùn)行雙路任務(wù)時(shí)，Barcelona就只開(kāi)啟兩顆核心，從而達(dá)到省電的目的。而當(dāng)執(zhí)行電腦多任務(wù)時(shí)，Barcelona就自動(dòng)開(kāi)啟所有核心。

Intel Core微架構(gòu)的電源管理機(jī)制基本上改良自Pentium M與Yonah的設(shè)計(jì)。處理器內(nèi)各功能單元并非隨時(shí)保持啟動(dòng)狀態(tài)，可根據(jù)預(yù)測(cè)機(jī)制，僅啟動(dòng)需要的功能單元。同時(shí)Core微架構(gòu)導(dǎo)入分離式總線(xiàn)，遇到特殊狀況時(shí)，才會(huì)啟動(dòng)全部的總線(xiàn)寬度，平時(shí)僅啟動(dòng)——半的寬度，以節(jié)約電力。從理念方面，AMD的Barcelona在功耗控制上無(wú)疑更先進(jìn)。

總結(jié)

盡管Barcelona架構(gòu)比Core 2 Duo遲了一年左右發(fā)布，但是它仍然被AMD寄予厚望，擔(dān)當(dāng)起奪回技術(shù)領(lǐng)先地位的重任。AMD表示原生四核的CPU將比非原生四核的CPU性能強(qiáng)。采用Barcelona架構(gòu)的服務(wù)器版本將會(huì)在2007年中上市，桌面處理器也會(huì)在第三季度上市。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。