基于光线追踪机制的三维集成图形处理器体系结构研究

Graphics rendering is the essential method of human-computer interface. Now almost all computers, tablets and smartphones are equipped with one or more graphics processing units (GPUs) for graphics processing. Currently, rasterization and ray-tracing are the 2 dominant rendering algorithms. Although the former is widely deployed in commercial GPUs, the latter promises realistic rendering effects and a lower complexity on highly complex scenes. Due to the ever-growing demand for high graphics quality and scene complexity, the advantages of ray-tracing is likely to make it become the mainstream rendering method. Starting from a detailed performance profiling of the ray-tracing algorithm on typical scenes, this project explores a many-core microarchitecture for ray-tracing. The cores on the proposed microarchitecture are organized in a scalable manner and designed to simultaneously support diverse computing patterns. The microarchitecture also take advantage of the 3-D IC technology to remove the performance bottlenecks in traditional GPUs. The objective of the microarchitecture design is to deliver a frame rate of around 15 fps at a resolution of 1280x1024.

图形显示是人机交互的核心手段，目前几乎所有个人计算机、平板电脑和智能手机都装备图形处理单元(Graphics Processing Unit, GPU)来实现显示功能。光栅化和光线追踪是实现图形显示的两类主要算法，前者被主流商业GPU所广泛使用，而后者允许高度逼真的光影效果、并在高度复杂场景下具有较低的算法复杂度。由于人类对于显示质量的要求日益提高和显示场景复杂度快速提升，光线追踪算法在满足新一代图形应用方面具有巨大潜力，有望成为下一代主流图形显示方法。本课题在深入分析光线追踪算法的基础上，探索基于光线追踪算法的众核图形处理器体系结构(微架构，microarchitecture)。通过发展具备良好扩展性的众核体系结构和兼顾不同计算模式的组织与调度方式、并利用三维集成电路消除传统GPU体系结构的性能瓶颈，本课题的设计目标为在1280x1024分辨率下实现接近实时性能(～15帧/秒)的显示速率

由于人类对于显示质量的要求日益提高和显示场景复杂度快速提升，传统光栅式显示算法已经难以继续带领视觉体验的提高。光线追踪算法在满足新一代图形应用方面具有巨大潜力，有望成为下一代主流图形显示方法。本项目在深入分析光线追踪算法的基础上，探索基于光线追踪算法的众核图形处理器体系结构。本项目首先对光线追踪算法和硬件进行了全面梳理，并且构建了软件仿真平台和硬件实验环境，开发了世界首个基于FPGA的图形处理器体系结构仿真工具，该工作已经在2013年International Conference on Computer Design会议发表，获得了最佳论文奖。提出了一种高速KD-tree构建算法，通过在完全树基础上由底向上删除冗余节点而形成树结构，能够保证充分的并行度，将构造时间缩短一到两个数量级，达到了目前KD-tree构建的最高性能。该工作已经被ACM SIGGRAPH Symposium on Interactive 3D Graphics and Games 2017接受，评审人认为“该论文是推进kd-tree构造的里程碑”。通过改进光线追踪算法、并且剖析在移动平台上实现光线追踪显示的可行性和主要瓶颈，实现了世界首个基于移动平台的光线追踪渲染器。在此基础上，设计新的光线追踪硬件体系结构，提出了一种聚合调度机制，通过对光线追踪算法进行等价变换，建立了一种分块访问空间加速数据结构的算法流程，构造了能够根据光线实际情况的按需调度体制及其相关硬件，能够提升光线追踪性能40%以上。同时，探索了光线追踪硬件在近眼光场立体显示器和通用计算方面的潜在应用。本项目设计的光线追踪处理器的FPGA原型已经应用到近眼光场立体显示器，并完成了系统原型。实验结果表明该处理器能够完成3-D多视角立体显示，支持单目深度线索，带来更好的观影感受。通过发展具备良好扩展性的众核体系结构和兼顾不同计算模式的组织与调度方式，本课题设计的硬件体系结构能够在1280x1024分辨率下实现支持实时性能的显示速率。本项目验证了光线追踪成为下一代主流显示算法的可行性，发展高性能光线追踪处理器体系结构，为未来图形处理器积累关键技术。