为什么我们使用 CPU 而不是 GPU 进行光线追踪？
Why do we use CPUs for ray tracing instead of GPUs?
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 CPUs 如何用于光线追踪的信息。我在 CPU 上看到一篇关于 Pixar 以及他们如何预渲染汽车总动员 2 的文章。他们每帧花费 11.5 小时。使用相同的图像质量，GPU 不会更快地渲染它吗？
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
我是一家拥有专有渲染器的大型 VFX 和动画长片工作室的渲染软件架构师（不是 Pixar，虽然很久很久以前我也曾经是那里的渲染软件架构师）。
几乎所有高质量的电影渲染（在所有大型工作室，所有主要渲染器）都是 CPU。出现这种情况的原因有很多。排名不分先后，一些真正引人注目的问题可以让您了解问题的本质：
只有当一切都在内存中时，GPU 才会运行得更快。最大的 GPU 卡有 12GB 左右，它必须容纳 所有东西。好吧，我们通常渲染具有 30GB 几何体和引用 1TB 或更多纹理的场景。无法将其加载到 GPU 内存中，它确实大了两个数量级。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 不擅长这个。）
不要相信炒作，使用 GPU 进行光线追踪并不能明显战胜 CPU。 GPU 非常擅长高度连贯的工作（同时对大量数据执行相同的操作）。光线追踪非常不连贯（每条光线都可以去不同的方向，与不同的物体相交，遮蔽不同的材料，访问不同的纹理），因此这种访问模式会严重降低 GPU 性能。直到最近，GPU 光线追踪才可以与基于 CPU 的最佳光线追踪代码相媲美，即使它已经超越了它，也没有太多，不足以扔掉所有旧代码并重新开始使用 buggy GPU 的脆弱代码。最大、最昂贵的场景是 GPU 仅稍微快一点的场景。在简单的场景中快很多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 人年的生产硬化代码，您只是不要扔掉它并重新开始以获得一个2 倍加速。软件工程工作量、稳定性等更重要，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 核心的数据中心，所有这些都采用您能做到的最小、最省电和最热效率的外形，那也是一个沉没成本投资，你不只是扔掉。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的热量，因此它实际上可能不适合您的建筑物。
Amdahl 定律：实际的 "rendering" 本身只是生成场景的一个阶段，GPU 对此无能为力。假设完全生成场景并将其导出到渲染器需要 1 小时，"render" 需要 9 小时，并且在这 9 小时中，有一个小时用于从磁盘读取纹理、体积和其他数据。因此，在用户体验渲染的总共 10 个小时中（按下按钮直到最终图像准备好），GPU 可能会加速 8 个小时。因此，即使该部分的 GPU 速度是 CPU 的 10 倍，您也会从 10 小时变成 1+1+0.8 = 将近 3 小时。所以 10 倍的 GPU 加速只能转化为 3 倍的实际增益。如果 GPU 在光线追踪方面比 CPU 快 1,000,000 倍，您仍然有 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，并且您会在必要时牺牲质量或功能实现这一目标。相比之下，对于电影来说，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达到（在一定程度上）次要的。
此外，在游戏中，您会逐帧渲染，呈现在每个用户面前。但是对于电影，你实际上是在渲染一次，而交付给影院的是电影文件——所以电影观众永远不会知道或关心你是否每帧花费 10 小时，但他们会注意到它是否看起来不好看。因此，只要它们看起来很棒，花费很长时间的渲染就会受到较少的惩罚。
在游戏中，您实际上并不知道要渲染哪些帧，因为玩家可能在世界各地漫游，几乎可以从任何地方观看。你不能也不应该试图让它变得完美，你只是希望它一直都足够好。但是对于一部电影来说，镜头都是手工制作的！每个镜头的构图、动画、灯光和合成都需要花费大量的人工时间，然后您只需要渲染一次。想想经济学——一旦 10 天的日历（和薪水）用于照明和合成镜头恰到好处，在一小时（甚至一分钟）内渲染它与一夜之间相比，优势很小，而且不值得图像质量或可实现的复杂性的任何牺牲。
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 CPUs 如何用于光线追踪的信息。我在 CPU 上看到一篇关于 Pixar 以及他们如何预渲染汽车总动员 2 的文章。他们每帧花费 11.5 小时。使用相同的图像质量，GPU 不会更快地渲染它吗？ 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
我是一家拥有专有渲染器的大型 VFX 和动画长片工作室的渲染软件架构师（不是 Pixar，虽然很久很久以前我也曾经是那里的渲染软件架构师）。
几乎所有高质量的电影渲染（在所有大型工作室，所有主要渲染器）都是 CPU。出现这种情况的原因有很多。排名不分先后，一些真正引人注目的问题可以让您了解问题的本质：
只有当一切都在内存中时，GPU 才会运行得更快。最大的 GPU 卡有 12GB 左右，它必须容纳 所有东西。好吧，我们通常渲染具有 30GB 几何体和引用 1TB 或更多纹理的场景。无法将其加载到 GPU 内存中，它确实大了两个数量级。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 不擅长这个。）
不要相信炒作，使用 GPU 进行光线追踪并不能明显战胜 CPU。 GPU 非常擅长高度连贯的工作（同时对大量数据执行相同的操作）。光线追踪非常不连贯（每条光线都可以去不同的方向，与不同的物体相交，遮蔽不同的材料，访问不同的纹理），因此这种访问模式会严重降低 GPU 性能。直到最近，GPU 光线追踪才可以与基于 CPU 的最佳光线追踪代码相媲美，即使它已经超越了它，也没有太多，不足以扔掉所有旧代码并重新开始使用 buggy GPU 的脆弱代码。最大、最昂贵的场景是 GPU 仅稍微快一点的场景。在简单的场景中快很多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 人年的生产硬化代码，您只是不要扔掉它并重新开始以获得一个2 倍加速。软件工程工作量、稳定性等更重要，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 核心的数据中心，所有这些都采用您能做到的最小、最省电和最热效率的外形，那也是一个沉没成本投资，你不只是扔掉。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的热量，因此它实际上可能不适合您的建筑物。
Amdahl 定律：实际的 "rendering" 本身只是生成场景的一个阶段，GPU 对此无能为力。假设完全生成场景并将其导出到渲染器需要 1 小时，"render" 需要 9 小时，并且在这 9 小时中，有一个小时用于从磁盘读取纹理、体积和其他数据。因此，在用户体验渲染的总共 10 个小时中（按下按钮直到最终图像准备好），GPU 可能会加速 8 个小时。因此，即使该部分的 GPU 速度是 CPU 的 10 倍，您也会从 10 小时变成 1+1+0.8 = 将近 3 小时。所以 10 倍的 GPU 加速只能转化为 3 倍的实际增益。如果 GPU 在光线追踪方面比 CPU 快 1,000,000 倍，您仍然有 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，并且您会在必要时牺牲质量或功能实现这一目标。相比之下，对于电影来说，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达到（在一定程度上）次要的。
此外，在游戏中，您会逐帧渲染，呈现在每个用户面前。但是对于电影，你实际上是在渲染一次，而交付给影院的是电影文件——所以电影观众永远不会知道或关心你是否每帧花费 10 小时，但他们会注意到它是否看起来不好看。因此，只要它们看起来很棒，花费很长时间的渲染就会受到较少的惩罚。
在游戏中，您实际上并不知道要渲染哪些帧，因为玩家可能在世界各地漫游，几乎可以从任何地方观看。你不能也不应该试图让它变得完美，你只是希望它一直都足够好。但是对于一部电影来说，镜头都是手工制作的！每个镜头的构图、动画、灯光和合成都需要花费大量的人工时间，然后您只需要渲染一次。想想经济学——一旦 10 天的日历（和薪水）用于照明和合成镜头恰到好处，在一小时（甚至一分钟）内渲染它与一夜之间相比，优势很小，而且不值得图像质量或可实现的复杂性的任何牺牲。