Ray Tracing Core

Ray Tracing Core to dedykowana jednostka obliczeniowa karty graficznej przyspieszająca sprzętowe śledzenie promieni światła.

Ray Tracing Core jako jednostka karty graficznej

Ray Tracing Core to wyspecjalizowany blok sprzętowy w układzie graficznym, którego zadaniem jest przyspieszanie operacji wykorzystywanych podczas śledzenia promieni. Ray tracing, czyli śledzenie promieni, oblicza drogę promienia wychodzącego z punktu widzenia kamery i sprawdza, z jakimi elementami sceny promień się przecina. Dzięki temu można wyznaczać odbicia, cienie, załamania światła oraz oświetlenie pośrednie w sposób bardziej zbliżony do fizycznego modelu propagacji światła niż w klasycznej rasteryzacji.

Jednostka tego typu nie jest osobną kartą ani wymiennym podzespołem. Stanowi część procesora graficznego i współpracuje z innymi blokami GPU, przede wszystkim z jednostkami cieniującymi, pamięcią karty oraz układami odpowiedzialnymi za obsługę hierarchii struktur danych. Określenie Ray Tracing Core opisuje funkcję sprzętową, a nie jeden konkretny model karty graficznej. Różne generacje układów mogą różnić się liczbą takich jednostek, ich wydajnością oraz obsługiwanymi funkcjami.

Jak sprzętowe śledzenie promieni przechodzi przez scenę 3D

Podczas renderowania scena jest zwykle opisana między innymi za pomocą trójkątów, ponieważ właśnie trójkąty są podstawowym elementem geometrii obsługiwanym przez współczesne procesory graficzne. Dla każdego promienia trzeba ustalić, czy przecina on konkretny trójkąt i w którym miejscu następuje przecięcie. Bez dodatkowej organizacji danych sprawdzanie wszystkich trójkątów byłoby bardzo kosztowne obliczeniowo. Z tego powodu silniki wykorzystujące ray tracing tworzą strukturę przyspieszającą, najczęściej hierarchię ograniczających brył znaną jako BVH, czyli Bounding Volume Hierarchy.

Ray Tracing Core może przyspieszać przechodzenie przez tę hierarchię oraz testy przecięcia promienia z geometrią. Najpierw sprawdzane są większe obszary ograniczające, które pozwalają odrzucić całe grupy obiektów bez badania każdego trójkąta. Następnie obliczenia schodzą do bardziej szczegółowych poziomów struktury, aż do testu właściwej geometrii. Po znalezieniu przecięcia wynik trafia do dalszej części potoku renderowania, gdzie wykonywane są między innymi obliczenia materiału, kierunku odbicia i wpływu źródeł światła.

Sama jednostka nie tworzy kompletnego obrazu niezależnie od reszty GPU. Program cieniujący może wykorzystać informacje o przecięciu do obliczenia koloru piksela, a kolejne promienie mogą służyć do wyznaczenia odbicia lub widoczności światła. Przy wielu odbiciach liczba promieni szybko rośnie, dlatego gry często stosują ograniczoną liczbę próbek oraz techniki rekonstrukcji obrazu. Denoising, czyli odszumianie obrazu, jest odrębnym etapem, który redukuje ziarnistość wynikającą z małej liczby próbek i może korzystać z obliczeń shaderów lub wyspecjalizowanych jednostek AI, zależnie od rozwiązania.

Ray tracing, rasteryzacja i wymagania programowe

Klasyczna rasteryzacja przekształca trójkąty sceny na fragmenty obrazu i przez lata była podstawową metodą renderowania w grach. Ray tracing rozwiązuje część problemów inaczej, ponieważ śledzi promienie od kamery albo od punktu powierzchni w kierunku sceny. Pozwala to uzyskać bardziej bezpośredni model odbić i cieni, ale zwykle wymaga większej liczby obliczeń oraz dostępu do dodatkowych struktur danych. W praktyce współczesne gry często łączą obie techniki: rasteryzacja tworzy podstawowy obraz, a ray tracing oblicza wybrane efekty, takie jak odbicia, cienie lub globalne oświetlenie.

Do wykorzystania sprzętowego śledzenia promieni potrzebna jest zgodność kilku elementów. Karta graficzna musi zawierać odpowiednie jednostki, sterownik musi poprawnie udostępniać ich funkcje, a aplikacja lub silnik gry musi korzystać z właściwego interfejsu programistycznego. W środowisku Windows jednym z używanych mechanizmów jest DirectX Raytracing, znany jako DXR, dostępny w ramach Direct3D 12. Inną drogą jest rozszerzenie ray tracing dla API Vulkan. Sama obecność Ray Tracing Core nie gwarantuje więc, że każda aplikacja automatycznie uruchomi ray tracing.

Wydajność zależy także od rozdzielczości, liczby promieni na piksel, liczby odbić, złożoności sceny, jakości tekstur oraz ustawień efektów. Wysoka rozdzielczość zwiększa liczbę generowanych pikseli, a odbicia i oświetlenie pośrednie mogą wymagać dodatkowych przebiegów. Zmniejszenie liczby próbek może podnieść płynność, ale zwiększa szum i obciążenie algorytmów rekonstrukcji. Przy ocenie problemu nie należy więc utożsamiać spadku liczby klatek wyłącznie z uszkodzeniem jednostki RT, ponieważ podobny objaw może powodować sterownik, ustawienia gry, przegrzewanie GPU, ograniczenie poboru mocy albo przeciążenie pamięci karty.

Sprawdzanie działania jednostek RT w laptopie i komputerze PC

W diagnostyce komputera warto najpierw potwierdzić dokładny model procesora graficznego, wersję sterownika oraz to, czy dana aplikacja rzeczywiście używa sprzętowego ray tracingu. Pomocne jest porównanie zachowania programu po zmianie ustawień ray tracingu, rozdzielczości i limitu liczby klatek. Jeżeli artefakty występują również w zwykłej rasteryzacji, przyczyną może być szerszy problem z GPU, pamięcią karty, zasilaniem lub temperaturą. Jeżeli problem pojawia się tylko po włączeniu określonego efektu, trzeba dodatkowo sprawdzić zgodność gry, silnika i sterownika.

Objawami wymagającymi dalszej kontroli mogą być nagłe zamykanie aplikacji, błędy sterownika, migotanie obrazu, wielobarwne artefakty albo niestabilność po rozgrzaniu karty. Diagnostyka obejmuje wtedy oględziny chłodzenia, pomiar temperatur i obciążenia, sprawdzenie stabilności zasilania oraz test w kilku aplikacjach korzystających z różnych ścieżek renderowania. W laptopie znaczenie ma także drożność układu chłodzenia i stan pasty termoprzewodzącej, ponieważ ograniczenie taktowania po osiągnięciu wysokiej temperatury może wyglądać jak niewydajność Ray Tracing Core.

Warszawskie Pogotowie Komputerowe zajmuje się profesjonalną naprawą laptopów, komputerów PC oraz ich podzespołów, dlatego w przypadku problemów z renderowaniem można zlecić sprawdzenie karty graficznej, chłodzenia, sterownika i współpracy podzespołów. Prawidłowa diagnoza powinna rozdzielić usterkę sprzętową od błędu konfiguracji lub ograniczeń konkretnej aplikacji, zanim zostanie podjęta decyzja o naprawie albo wymianie elementu.