[發明專利]基于可重構數據流系統芯片陣列的3D圖學渲染加速系統

有效

• 申請號: 201710584195.2
• 申請日: 2017-07-17
• 公開（公告）號: CN107464207B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 陳陵都
• 申請（專利權）人: 南京華磊易晶微電子有限公司
• 主分類號: G06T1/20
• 分類號: G06T1/20;G06T15/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

本發明提供了一種基于可重構數據流系統芯片陣列的3D圖學渲染加速系統，包括：單核或多核的CPU芯片；N個3D圖學渲染加速卡；帶有N個PCIe插槽的母板；其中：N個3D圖學渲染加速卡經由所述母板上的PCIe插槽以及PCIe總線與所述CPU芯片相連；每個3D圖學渲染加速卡包括：一個3DX?FPGA芯片陣列和M個SDRAM芯片；其中，所述3DX?FPGA芯片陣列包括：X×Y個用于3D圖學渲染加速的3DX?FPGA芯片；所述SDRAM芯片用于存儲3D數據；每個3DX?FPGA芯片的邏輯由K個XPU模塊組成，每個XPU模塊由J個個射線跟蹤核組成。本發明可取代傳統的基于多核CPU或GPU群的超級計算機而在3D圖學應用的速度、功耗、體積與成本上取得較好的效果。

技術領域

本發明涉及3D圖學技術領域，尤其涉及一種基于可重構數據流系統芯片陣列的3D圖學渲染加速系統。

背景技術

3D圖學渲染技術是現今3D計算機圖學(3D Computer Graphics)的應用中需求性最高的技術。這個技術的最高訴求是在實時應用中產生真實的視覺影像。朝著這個方向，3D圖學渲染技術的實現至今有3種方式：

1.基于中央處理器(Central Processing Unit，簡稱CPU)或圖形處理器(GraphicProcessing Unit，簡稱GPU)的3D圖學渲染技術。

2.基于專用集成電路(Application-Specific Integrated Circuit，簡稱ASIC)芯片固定邏輯的3D圖學渲染技術。

3.基于FPGA芯片可重構邏輯的3D圖學渲染技術。

在許多大規模的3D應用中，最耗時間的任務是將3D影像的視覺信息表達在2D的平面上。尤其是在如3D工業設計、3D動畫、3D電影特效編輯等的應用中做大規模、復雜的繪圖設計(例如飛機、汽車的模型設計或城市景觀設計)，能夠迅速完成切面(Cutting Plane)、模型合并(Model Interrogation)、復雜著色(Sophisticated Shading)是一個基本的關鍵操作。這些不同的3D圖學應用有一個共同的技術要求，就是高速的3D數字信號處理功能。在羅聰翼著的《Blender權威指南》書第7章第5節《渲染農場》中敘述：著名的電影特效工作室Weta Digital在制作電影《2012》(注：2009年美國科幻災難片)的過程中，花費在單幀畫面上的渲染時間平均為20個小時，而整個地震場景的特效幀數超過7000幀，所以總共的渲染時間大約為141，120小時。

根據Wikipedia報導，現在3D應用市場上的3D圖學工具幾乎全由基于光柵法的系統(Rasterization-Based System)。這個系統的軟件部分由OpenGL API(www.opengl.org)的庫函數以及它們的應用組成，硬件部分全是CPU或GPU以及少數設計使用的專用定制芯片。

自70年代開始至今，隨著CPU/GPU芯片設計技術以及超深亞微米工藝芯片制造工藝的高度發展，基于光柵法的3D圖學工具的品質與操作速度有特別的進步，但由于它的操作在本質上是指令級串行執行的方式，速度的上升遠遠跟不上超深亞微米工藝根據摩爾定律(Moore’s Law)的進步。也就是說，雖然超深亞微米工藝技術已使微電子電路達到Giga赫茲級的操作能力，但迄今為止，光柵法3D圖學應用的速度仍未達到實時應用的要求。近10年來，一些利用多核與配合CPU的定制硬件的光柵法系統報導略超過每秒24幀的視頻效果，但它們的開發周期漫長而成本昂貴。

自70年代，一個基于物理光學的光線跟蹤法出現，企圖得到一個物理上逼真的視覺效果，將光學中的反射、折射、透視與陰影的物理現象利用幾何光學的射線法計算出來。由于光線跟蹤法本質上避免了不可見部分的跟蹤，計算量是物體復雜度的對數函數，與光柵法計算量是情景復雜度的線性函數相比，在針對復雜情景的3D圖學應用中有明顯的優勢。但是它的計算量對現今的計算機軟件運行速度而言是過分大的負擔。