gpu - 为什么我们使用 CPU 而不是 GPU 进行光线追踪？

Question

在对光栅化和光线追踪做了一些研究之后。我发现互联网上没有太多关于 CPU 如何用于光线追踪的信息。我遇到了关于皮克斯以及他们如何在 CPU 上预渲染汽车 2 的文章。这需要他们每帧 11.5 小时。在相同的图像质量下，GPU 会不会以更快的速度渲染？
http://gizmodo.com/5813587/12500-cpu-cores-were-required-to-render-cars-2
https://www.engadget.com/2014/10/18/disney-big-hero-6/
http://www.firstshowing.net/2009/michael-bay-presents-transformers-2-facts-and-figures/
干杯，
山姆

Answer 1

我是一家拥有专有渲染器的大型 VFX 和动画功能工作室的渲染软件架构师之一(不是皮克斯，虽然我曾经是那里的渲染软件架构师，很久很久以前)。

几乎所有高质量的电影渲染(在所有大工作室，所有主要渲染器)都只有 CPU。造成这种情况的原因有很多。没有特别的顺序，一些真正引人注目的让你了解问题的味道:

只有当一切都在内存中时，GPU 才会运行得很快。最大的GPU卡有，什么，12GB左右，它必须容纳一切 .好吧，我们通常使用 30GB 的几何图形和引用 1TB 或更多纹理的场景渲染。无法将其加载到 GPU 内存中，它实际上太大了两个数量级。所以 GPU 根本无法处理我们最大(甚至平均)的场景。 (使用 CPU 渲染器，我们可以在需要时从磁盘分页。GPU 不擅长。)

不要相信炒作，使用 GPU 进行光线追踪并不是明显战胜 CPU。 GPU 擅长高度连贯的工作(一次对大量数据做同样的事情)。光线追踪非常不连贯(每条光线可以走不同的方向，与不同的对象相交，为不同的 Material 着色，访问不同的纹理)，因此这种访问模式非常严重地降低了 GPU 性能。直到最近，GPU 光线追踪才能与最好的基于 CPU 的光线追踪代码相匹配，即使它已经超过了它，也远远不够，扔掉所有旧代码并重新开始使用有缺陷的 GPU 脆弱代码.最大、最昂贵的场景是 GPU 速度稍快的场景。在简单的场景中跑得更快对我们来说并不重要。

如果您在基于 CPU 的渲染器中有 50 或 100 人年的生产强化代码，您只是不要为了获得 2 倍的加速而将其丢弃并重新开始。软件工程的努力、稳定性等更为重要，也是更大的成本因素。

同样，如果您的工作室投资了一个拥有 20,000 个 CPU 内核的数据中心，并且全部采用最小、最节能和最高效的外形尺寸，那么这也是一项沉没成本投资，您不会轻易放弃。用包含顶级 GPU 的新机器替换它们会大大增加渲染农场的成本，而且它们更大并产生更多热量，因此它实际上可能不适合您的建筑物。

Amdahl 定律:实际的“渲染”本身只是生成场景的一个阶段，GPU 对此没有帮助。假设完全生成场景并将其导出到渲染器需要 1 小时，“渲染”需要 9 小时，在这 9 小时中，一个小时是从磁盘读取纹理、体积和其他数据。因此，在用户体验渲染的总共 10 小时(按下按钮直到最终图像准备好)中，8 小时可能会通过 GPU 加速。因此，即使 GPU 在该部分的速度是 CPU 的 10 倍，您也会从 10 小时缩短到 1+1+0.8 = 近 3 小时。因此 10 倍 GPU 加速仅转化为 3 倍实际增益。如果 GPU 在光线追踪方面比 CPU 快 1,000,000 倍，你仍然有 1+1+tiny，这只是 5 倍的加速。

但是游戏有什么不同呢？为什么 GPU 适合游戏而不适合电影？

首先，当您制作游戏时，请记住它必须实时渲染——这意味着您最重要的限制是 60Hz(或其他)帧速率，并且您在必要时牺牲了质量或功能来实现这一目标。相比之下，对于电影，牢不可破的约束是让导演和 VFX 主管对他或她想要的质量和外观感到满意，而你需要多长时间才能得到它(在某种程度上)是次要的。

此外，对于游戏，您逐帧渲染，呈现在每个用户面前。但是对于电影，您实际上是在渲染一次，而交付给影院的是一个电影文件——因此，电影观众永远不会知道或关心您是否每帧花费了 10 个小时，但如果它看起来不好看，他们会注意到。因此，只要它们看起来很棒，对那些需要很长时间的渲染的惩罚就少了。

对于游戏，您实际上并不知道要渲染哪些帧，因为玩家可能会在世界各地游荡，几乎可以从任何地方查看。你不能也不应该试图让它变得完美，你只是希望它一直足够好。但是对于一部电影来说，镜头都是手工制作的!大量的人工时间用于合成、动画、照明和合成每个镜头，然后您只需渲染一次。想想经济学——一旦 10 天的日历(和薪水)进入照明和合成镜头恰到好处，在一小时(甚至一分钟)内渲染它与过夜相比的优势非常小，而且不值得图像质量或可实现的复杂性的任何牺牲。