Hardware de trazado de rayos

El hardware de trazado de rayos es un hardware informático específico para cada aplicación , diseñado para acelerar los cálculos de trazado de rayos , especialmente el trazado de rayos en tiempo real de gráficos para aplicaciones interactivas .

El problema de renderizar gráficos 3D puede presentarse conceptualmente como encontrar todas las intersecciones entre un conjunto de " primitivas " (típicamente triángulos o polígonos ) y un conjunto de "rayos" (típicamente uno o más por píxel). ^{[ 1 ]}

Hasta la década de 2010, las tarjetas de aceleración gráfica de consumo masivo , denominadas unidades de procesamiento gráfico (GPU), utilizaban algoritmos de rasterización . El algoritmo de trazado de rayos resuelve el problema de renderizado de una manera diferente. En cada paso, encuentra todas las intersecciones de un rayo con un conjunto de primitivas relevantes de la escena.

Ambos enfoques tienen sus propias ventajas y desventajas. La rasterización se puede realizar utilizando dispositivos basados ​​en un modelo de computación de flujo , un triángulo a la vez, y el acceso a la escena completa solo se necesita una vez. ^{[ a ]} ​​La desventaja de la rasterización es que los efectos no locales, necesarios para una simulación precisa de una escena, como reflejos y sombras, son difíciles; y las refracciones ^{[ 2 ]} son ​​casi imposibles de calcular.

El algoritmo de trazado de rayos es inherentemente adecuado para la escalabilidad mediante la paralelización de renderizados de rayos individuales. ^{[ 3 ]} Sin embargo, cualquier cosa que no sea el trazado de rayos requiere recursión del algoritmo de trazado de rayos (y acceso aleatorio al grafo de escena ) para completar su análisis, ^{[ 4 ]} ya que los rayos reflejados, refractados y dispersos requieren que se vuelva a acceder a varias partes de la escena de una manera que no es fácil de predecir. Pero puede calcular fácilmente varios tipos de efectos físicamente correctos , proporcionando una impresión mucho más realista que la rasterización. ^{[ b ]}

La complejidad de un algoritmo de trazado de rayos bien implementado aumenta logarítmicamente; ^{[ c ]} esto se debe a que los objetos (triángulos y conjuntos de triángulos) se colocan en árboles BSP o estructuras similares, y solo se analizan si un rayo interseca el volumen delimitador de la partición del espacio binario. ^{[ 5 ] [ d ]}

Se han creado diversas implementaciones de hardware de trazado de rayos, tanto experimentales como comerciales:

• (1995) Advanced Rendering Technology (ART) fundada en Cambridge, Reino Unido, basada en una tesis doctoral de 1994, ^{[ 6 ]} para producir silicio dedicado al trazado de rayos (inicialmente el chip "AR250", que aceleraba la intersección rayo-triángulo, el recorrido de la caja delimitadora y el sombreado), utilizando un acelerador en red "RenderDrive" para renderizado fuera de línea. ^{[ 7 ]} Los productos se enviaron por primera vez a los clientes en 1998. ^{[ 8 ]} El software proporcionaba integración con los formatos de datos de Autodesk Maya y Max , y utilizaba el lenguaje de descripción de escena Renderman para enviar datos a los procesadores (el formato de archivo .RIB o Renderman Interface Bytestream). ^{[ 9 ]} El AR250 original se describió como "la primera vez que el trazado de rayos se ha reducido a un diseño de un solo chip", logrando un rendimiento de trazado de rayos a "15 veces la velocidad de un procesador Pentium II de 266 MHz". ^{[ 10 ]} ART experimentó dificultades a principios de siglo y fue adquirida por "ART VPS", cofundada por uno de los fundadores de ART. ^{[ 6 ] : 43} A partir de 2010, ART-VPS ya no produce hardware de trazado de rayos, pero continúa produciendo software de renderizado. ^{[ 11 ]}
• (1996) Investigadores de la Universidad de Princeton propusieron utilizar DSP para construir una unidad de hardware para la aceleración del trazado de rayos, denominada "TigerSHARK". ^{[ 12 ]}
• (1999-2002) Las implementaciones de renderizado de volumen utilizando algoritmos de trazado de rayos en hardware personalizado fueron llevadas a cabo en 1999 por Hanspeter Pfister ^{[ 13 ]} e investigadores en Mitsubishi Electric Research Laboratories ^{[ 14 ]} con el sistema basado en ASIC vg500 / VolumePro y en 2002 con FPGAs por investigadores en la Universidad de Tübingen con VIZARD II ^{[ 15 ]}
• (2002) El laboratorio de gráficos por computadora de la Universidad de Saarland , dirigido por el Dr.-Ing. Philipp Slusallek, ha producido prototipos de hardware de trazado de rayos, incluido el chip SaarCOR (Saarbrücken's Coherence Optimized Ray Tracer) basado en FPGA y con control de datos de función fija ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} y un procesador programable más avanzado (2005), la Unidad de Procesamiento de Rayos (RPU) ^{[ 19 ].}
• (2009–2010) Intel ^{[ 20 ]} presentó su prototipo de GPU "Larrabee" y MIC Knights Ferry, ambos construidos alrededor de procesadores multinúcleo de propósito general x86 , en el Intel Developer Forum en 2009 con una demostración de trazado de rayos en tiempo real.
• (2009) Caustic Graphics ^{[ 21 ]} produjo una tarjeta enchufable, la "CausticOne", ^{[ 22 ]} que aceleraba la iluminación global y otros procesos de renderizado basados ​​en rayos cuando se acoplaba a una CPU y GPU de PC. El hardware está diseñado para organizar los rayos dispersos (típicamente producidos por problemas de iluminación global) en conjuntos más coherentes (menor dispersión espacial o angular) para su posterior procesamiento por un procesador externo. ^{[ 23 ]}
• (2010-2011) Siliconarts ^{[ 24 ]} desarrolló un hardware dedicado al trazado de rayos en tiempo real (2010). RayCore, que es la primera propiedad intelectual de semiconductores para trazado de rayos en tiempo real del mundo, se anunció en 2011.
• (2013) Imagination Technologies , tras adquirir Caustic Graphics , produjo las tarjetas de expansión R2500 y R2100 de Caustic Professional, que contenían unidades de trazado de rayos RT2 (RTU). Cada RTU era capaz de calcular hasta 50 millones de rayos incoherentes por segundo. ^{[ 25 ]}
• (2014) Imagination Technologies anunció la familia PowerVR Wizard y su primera implementación GR6500, una GPU para usos móviles y embebidos con trazado de rayos acelerado por hardware y una unidad de trazado de rayos (RTU) dedicada. ^{[ 26 ] [ 27 ]}
• (2018, enero) Nvidia , en asociación con Microsoft DirectX , anunció la biblioteca para desarrolladores Nvidia RTX, ^{[ 28 ]} que prometía soluciones rápidas de trazado de rayos por software para GPU en las GPU de la generación Volta . ^{[ 29 ]}
• (Septiembre de 2018) Nvidia presentó sus GPU GeForce RTX y Quadro RTX, basadas en la arquitectura Turing , con trazado de rayos acelerado por hardware mediante un bloque funcional independiente, denominado públicamente "núcleo RT". Esta unidad es comparable a una unidad de texturas en tamaño, latencia e interfaz con el núcleo del procesador. La unidad incluye recorrido BVH , descompresión de nodos BVH comprimidos, prueba de intersección rayo-AABB y prueba de intersección rayo-triángulo. ^{[ 30 ]} Las GeForce RTX 2080 y 2080 Ti se convirtieron en la primera marca de tarjetas gráficas orientada al consumidor capaz de realizar trazado de rayos en tiempo real. ^{[ 31 ]}
• (2020) AMD anunció más información sobre la "actualización" de la microarquitectura RDNA . Según la compañía, la microarquitectura RDNA 2 admite el trazado de rayos acelerado por hardware en tiempo real, que consiste en la decodificación de nodos BVH, la prueba de intersección rayo-AABB y la prueba de intersección rayo-triángulo. ^{[ 32 ] [ 33 ]}
• (2021) Imagination Technologies anunció su GPU IMG CXT con trazado de rayos acelerado por hardware. ^{[ 34 ] [ 35 ]}
• (Enero de 2022) Samsung anunció su SoC Exynos 2200 AP con trazado de rayos acelerado por hardware basado en la arquitectura de GPU AMD RDNA2. ^{[ 36 ]}
• (Junio ​​de 2022) Arm anunció su Immortalis-G715 con trazado de rayos acelerado por hardware. ^{[ 37 ]}
• (Noviembre de 2022) Qualcomm anunció su Snapdragon 8 Gen 2 con trazado de rayos acelerado por hardware. ^{[ 38 ] [ 39 ]}
• (2022, diciembre) Intel lanzó la GPU Arc Alchemist , ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]} que cuenta con núcleos de aceleración de trazado de rayos que se desempeñan de manera comparativa con la GPU de gama media de la serie RTX 3000. ^{[ 43 ]}
• (2023) Apple anunció su Apple A17 con trazado de rayos acelerado por hardware. ^{[ 44 ]} Un mes después, Apple anunció la familia de chips M3 para computadoras Mac con soporte para trazado de rayos acelerado por hardware. ^{[ 45 ]}

• Unidad de procesamiento neuronal (NPU): a veces se utiliza para acelerar aún más la salida del hardware de trazado de rayos (en tiempo real).

• Estado del arte en el trazado interactivo de rayos. Ingo Wald y Philipp Slusallek, Grupo de Gráficos por Computadora, Universidad de Saarland. Artículo de revisión del año 2001.