レイトレーシングハードウェア

レイトレーシング ハードウェアは、レイトレーシング計算を高速化するために設計された特殊なコンピュータ ハードウェアです。

3Dグラフィックスのレンダリングの問題は、概念的には、「プリミティブ」（通常は三角形または多角形）のセットと「光線」（通常はピクセルごとに1つ以上）のセットの間のすべての交差を見つけることとして表すことができます。^[1]

2010 年まで、グラフィックス プロセッシング ユニット(GPU) と呼ばれる一般的なグラフィック アクセラレーション ボードはすべて、ラスタライズアルゴリズムを使用していました。レイ トレーシングアルゴリズムは、レンダリングの問題を別の方法で解決します。各ステップで、レイとシーンの関連するプリミティブのセットとの交差をすべて検出します。

どちらのアプローチにも、それぞれ利点と欠点があります。ラスタライズは、ストリーム コンピューティングモデルに基づくデバイスを使用して、一度に 1 つの三角形で実行でき、シーン全体へのアクセスは 1 回だけで済みます。^{[a]ラスタライズの欠点は、}反射や影など、シーンの正確なシミュレーションに必要な非局所的な効果が難しく、屈折^[2]を計算するのがほぼ不可能なことです。

レイトレーシングアルゴリズムは、個々のレイレンダリングを並列化することでスケーリングするのに本質的に適しています。 ^{[3]しかし、}レイキャスティング以外のものは、分析を完了するためにレイトレーシングアルゴリズムの再帰（およびシーングラフへのランダムアクセス）を必要とします。^{[4]反射、屈折、散乱した光線は、簡単に予測できない方法でシーンのさまざまな部分に再アクセスする必要があるためです。しかし、}物理的に正しいさまざまな種類の効果を簡単に計算できるため、ラスタライズよりもはるかにリアルな印象を与えることができます。[ ^b]

適切に実装されたレイトレーシングアルゴリズムの複雑さは対数的に増加します。^[c]これは、オブジェクト（三角形や三角形の集合）がBSPツリーや同様の構造に配置され、レイがバイナリ空間パーティションの境界ボリュームと交差する場合にのみ分析されるためです。 ^{[5] [d]}

実験的なものから商用のものまで、さまざまなレイ トレーシング ハードウェアの実装が作成されています。

• (1995) 1994 年の博士論文に基づき、英国ケンブリッジで Advanced Rendering Technology (ART) が設立されました^[6]。オフライン レンダリング用のネットワーク アクセラレータ「RenderDrive」を使用して、専用のレイ トレーシング シリコン (当初はレイ トライアングル交差、境界ボックス トラバーサル、シェーディングを高速化する「AR250」チップ) を製造しました。^[7]製品は 1998 年に初めて顧客に出荷されました。^{[8]ソフトウェアは、} Autodesk MayaおよびMaxデータ形式との統合を提供し、プロセッサにデータを送信するために Renderman シーン記述言語 (.RIB または Renderman Interface Bytestream ファイル形式) を使用しました。^[9] ART は 2002 年に ART-VPS として再設立されました。 ^[10] 2010 年現在、ART-VPS はレイ トレーシング ハードウェアの製造を中止しましたが、レンダリング ソフトウェアの製造は継続しています。^[10]
• （1996年）プリンストン大学の研究者は、DSPを使用してレイトレーシングを加速するハードウェアユニット「TigerSHARK」を構築することを提案した。^[11]
• レイトレーシングアルゴリズムを使用したボリュームレンダリングのカスタムハードウェアへの実装は、1999年にハンスペーター・フィスター^[12]と三菱電機研究所[ ^13]の研究者によってvg500 / VolumePro ASICベースのシステムで行われ、2002年にはテュービンゲン大学の研究者によってVIZARD II ^{[14]を使用して}FPGAで実施されました。
• （2002年）ザールラント大学のフィリップ・スルサレク博士率いるコンピュータグラフィックス研究所は、FPGAベースの固定機能データ駆動型SaarCOR（ザールブリュッケンのコヒーレンス最適化レイトレーサー）チップ^{[15] [16] [17]と、より高度なプログラム可能な（2005年）プロセッサであるレイプロセッシングユニット（RPU） [18]}を含むプロトタイプのレイトレーシングハードウェアを開発した。
• （2009年～2010年）インテル^{[19]は、2009年の}インテル開発者フォーラムでリアルタイムレイトレーシングのデモとともにプロトタイプの「Larrabee」GPUとKnights Ferry MICを披露した。
• Caustic Graphics ^{[20]は、PC の CPU と GPU と組み合わせることで、}グローバル イルミネーションやその他のレイ ベースのレンダリング プロセスを高速化するプラグイン カード「CausticOne」(2009) ^[21を製造しました。このハードウェアは、散乱光線 (通常はグローバル イルミネーションの問題によって生成される) を、外部プロセッサによるさらなる処理のために、より一貫性のあるセット (空間または角度の広がりが低い) に整理するように設計されています。^[22]
• Siliconarts ^[23]は専用のリアルタイムレイトレーシングハードウェアを開発しました（2010年）。世界初のリアルタイムレイトレーシング半導体IPであるRayCore（2011年）が発表されました。
• 2013年8月、イマジネーションテクノロジーズは、コースティックグラフィックス社を買収した後、RT2レイトレースユニット（RTU）を搭載したコースティックプロフェッショナル社のR2500およびR2100プラグインカードを製造しました。各RTUは、1秒間に最大5000万本の非干渉光線を計算することができました。^[24]
• 2018年1月、NvidiaはMicrosoft DirectXと提携してNvidia RTX開発者ライブラリを発表しました。^{[25]これは}Volta世代GPUでの高速GPUソフトウェアレイトレーシングソリューションを約束しました。^[26]
• 2018年9月、Nvidiaは、Turingアーキテクチャに基づくGeForce RTXおよびQuadro RTX GPUを発表しました。これは、公に「RTコア」と呼ばれる別の機能ブロックを使用したハードウェアアクセラレーションレイトレーシングを備えています。このユニットは、サイズ、レイテンシ、プロセッサコアへのインターフェイスの点でテクスチャユニットに似ています。このユニットは、BVHトラバーサル、圧縮BVHノード解凍、レイAABB交差テスト、レイトライアングル交差テストを備えています。^[27] GeForce RTX 2080および2080 Tiは、リアルタイムでレイトレーシングを実行できる最初の消費者向けグラフィックカードブランドになりました。^[28]
• 2020年10月、AMDはRDNAマイクロアーキテクチャの「リフレッシュ」に関する詳細情報を発表しました。同社によると、RDNA 2マイクロアーキテクチャは、BVHノードデコード、レイ-AABB交差テスト、レイ-三角形交差テストで構成されるリアルタイムハードウェアアクセラレーションレイトレーシングをサポートしています。^{[29] [30]}
• インテルは2022年にArc Alchemist GPUをリリースしました。 ^{[31] [32] [33]}このGPUには、RTX 3000シリーズのミッドレンジGPUと同等の性能を発揮するレイトレーシングアクセラレーションコアが搭載されていました。^[34]
• 2021年11月4日、イマジネーションテクノロジーズはハードウェアアクセラレーションレイトレーシングを搭載したIMG CXT GPUを発表しました。^{[35] [36]}
• 2022年1月18日、サムスンはAMD RDNA2 GPUアーキテクチャに基づくハードウェアアクセラレーションレイトレーシングを搭載したExynos 2200 AP SoCを発表しました。 ^[37]
• 2022年6月28日、Armはハードウェアアクセラレーションによるレイトレーシングを搭載したImmortalis-G715を発表しました。 ^[38]
• 2022年11月16日、クアルコムはハードウェアアクセラレーションによるレイトレーシングを搭載したSnapdragon 8 Gen 2を発表しました。 ^{[39] [40]}
• 2023年9月12日、Appleはハードウェアアクセラレーションによるレイトレーシングを搭載したApple A17を発表しました。 ^[41] 1ヵ月後、AppleはハードウェアアクセラレーションによるレイトレーシングをサポートするMacコンピューター用のM3チップファミリーを発表しました。 ^[42]

• インタラクティブ レイ トレーシングの最新技術 Ingo Wald および Philipp Slusallek、ザールラント大学コンピュータ グラフィックス グループ、2001 年のレビュー記事