近年来，实时光线追踪技术迅速改变了游戏图形渲染的格局。随着硬件性能的不断提升，实时光线追踪已从电影级的离线渲染逐步迈入主流游戏领域，带来更为逼真和沉浸的视觉体验。Intel作为芯片领域的巨头，其最新推出的Intel Arc GPU系列彻底支持DirectX 12 Ultimate中的实时光线追踪（DXR）功能，尤其针对游戏应用进行了硬件级优化。本文将从硬件架构、光线追踪管线解释，到开发实践及性能优化策略，全方位剖析Intel Arc显卡上实时光线追踪的实现原理和开发要点，帮助开发者更好地掌握这一先进技术。 Intel Arc GPU及其架构优势 Intel Arc GPU之前代号“Alchemist”，专门设计支持DirectX 12 Ultimate的全部高级特性，如变量速率着色（VRS）、网格着色（Mesh Shading）和DXR。与传统GPU相比，Intel Arc在硬件中集成了专用的实时光线追踪加速单元——Ray-Tracing Unit（RTU），它直接负责加速结构遍历、光线三角形交叉测试和实例变换。
在内部结构上，Intel Arc的核心组成单元是Xe-core。每个Xe-core包含多个矢量引擎（Vector Engines，简称XVE），这些均为SIMD单元，支持以8至16个着色器线程组成的组并行处理光线追踪着色程序。RTU独立于XVE硬件运行，加速深度遍历计算并分派光线命中着色器。这样的异构硬件设计极大地提升了GPU对光线追踪任务的吞吐能力和延迟隐藏能力，确保纵使光线分布复杂，硬件性能也可最大化利用。 实时光线追踪的运行流程和同步机制 Intel Arc光线追踪实现采用XVE和RTU之间协同的任务分派和执行机制。光线发射阶段，XVE上的光线生成着色器会将光线数据写入内存，并向RTU发送TraceRay消息，激活一组SIMD通道，各通道代表不同光线。
发出指令后，该XVE线程终止，有需要时可立即复用用于命中着色的执行。RTU接管硬件层面的遍历和交叉计算，完成后相应的命中着色器请求由线程排序单元（Thread Sorting Unit，TSU）重新组织，尽可能组合出同一着色器并共享数据的SIMD线程组，提高着色效率。 这一异步分阶段执行设计带来了两方面好处：一方面RTU保持对光线状态的寄存器式管理，快速切换处理多条光线；另一方面，TSU对异构、多样化的着色请求智能排序，最大化SIMD并行吞吐，从而提升光线追踪管线整体效率。TSU作为一个专门设计的硬件单元，能够将分散的着色器线程按着色器记录分组，减小着色资源访存散乱带来的负担，这对于多样的游戏场景尤其重要。 内存管理和着色器状态优化 在Intel Arc光线追踪架构中，每个光线生成线程分配有独立的栈空间，用于跨着色器调用保持状态和数据交互。光线的遍历状态以寄存器形式维护于RTU中，确保遍历速度提高。
穿透或命中检测时，将当前状态保存回栈，允许着色器进行数据访问。当执行任何击中（Any-Hit）或交叉着色器时，光线状态将被写入内存，编译器安排TraceRay_Continue消息实现光线遍历的中断和继续。 这对shader编写提出了更高要求。状态保存的切换点是潜在的性能瓶颈，建议尽可能减少跨TraceRay调用的活跃变量和payload数据，减小栈内存负担。Tail recursion设计思路鼓励将递归调用设为函数末尾，避免堆栈保存过多中间值，从而优化线程切换与流水线利用效率。 光线有效载荷（payload）设计与数据局限性 高效的光线有效载荷是实现优质性能的重要参数。
Intel Arc架构下，每条光线的底层存储占用至少256字节，包括核心射线数据和无递归时payload。应尽量减小payload结构以避免内存访问带来的延迟开销。实际开发中，采用低精度浮点数（如float16）代替float32，并减少不必要的数据传递，这些做法均能显著提升缓存命中率和整体吞吐。 避免在多个着色器阶段间传递复杂结构，推荐局部重计算常用数据，从而换取减少存储带来的性能优势，同时保障光线遍历保持简洁与紧凑。此外，合理使用只读及本地根参数常量，避免通过payload传递全局常量，有助于编译器优化。 利用无缝混合的交叉着色器和任何击中着色器 Intel Arc光线追踪实现中，任何击中着色器与交叉着色器经编译时融合，实现调用内联。
对于透明度测试等场景，这种机制有助于减少频繁线程切换和内存读写，提高流水线效率。在某些实现情况下，驱动程序会生成具有不同材质透明度标志的着色器变体，分别处理不透明和非不透明情况，进一步让渲染更加智能和高效。 深入理解线程排序单元TSU TSU是Intel Arc GPU独有的硬件模块，专门针对DXR多线程光线追踪着色任务进行动态分组和重排。通过将不同着色器请求按照shader-record进行归类，TSU发射出高度一致的SIMD线程，使得GPU在面对材料差异巨大、光线路径跳变频繁的场景中仍能保持理想的流水线效率。 开发者需理解TSU的工作原理，包括栈ID的分发、排序缓存管理以及线程发射策略。TSU按需对部分填充的线程进行驱逐，以避免低效率尾部执行延迟总体进度。
它不允许父线程与子线程并行执行，因此任何执行CallShader()或TraceRay()调用之后的线程必须立即终止，现实中需要编译器配合生成状态保存和续调机制，模拟函数调用返回。 最佳编程模式与示例代码分析 Intel提供了具体的shader代码范例，展示了如何设计光线有效载荷、着色器调用路径及数据传递，兼顾性能和维护性。优化版本中有效载荷被极度简化，不再携带无必要标志变量，避免了从光线生成着色器返回后再判断是否命中。 通过在命中和未命中着色器中直接写回贴图色彩，不仅简化了代码逻辑，也显著减少了中间变量的内存传递，避免了TraceRay调用后栈的复杂状态管理。这种设计思路值得开发者深入学习，尤其是在复杂光线递归场景中，对减少线程切换和内存访问起到关键作用。 光线加速结构优化准则 良好的加速结构是实时光线追踪的基石。
Intel Arc建议开发者避免在BLAS中混合过远距离或彼此不相关的几何体，更多地将实例合并为大型BLAS，以便构建更优质的空间划分和减少重叠体积，从而切实提升遍历效率。 使用索引几何体且保证索引缓冲区的顶点缓存优化是实现高效四边形形成算法的前提。几何体割裂、避免拓扑分散的三角形、针对透明区域细分网格均能显著提高硬件对边界体积层次结构的压缩以及遍历效能。 此外，避免对天空穹顶等非交互几何建立RTAS结构，改用miss着色器处理，是性能优化的常见技巧。正确利用构建标记(flags)如PREFER_FAST_TRACE，有助于在构建时间与遍历性能间达到最佳平衡。 在程序化几何及空间分割方面，采用多包围盒细分区域能帮助减少空洞区域的误判，降低不必要的着色器调用压力。
虽然细分数量增加，但整体节点遍历成本下降，平衡点依然值得实践验证。 面向交叉和任何击中着色器的光线重复调用需谨慎管理，不能滥用NO_DUPLICATE_ANYHIT_SHADER标志，避免在空间分割BVH中产生异常性能，开发者需理解和接受重复着色器调用的存在，并通过算法健壮性实现容错。 光线追踪着色器的性能设计 对着色器程序本身，要营造“编译器友好”的代码环境。尽量多传递射线标志（ray flags），并在编译期就确定其值，方便编译器针对性优化。避免在光线追踪管线对象中加载未使用的着色器，拆分不同效果的RTPSO，以保持调用路径清晰。 最优实践还包括限制递归深度、减轻payload负担和减少TraceRay调用次数。
限定shader状态局部化避免跨函数live变量过多，有助于避免编译器产生不必要的变量溢出和栈访问，从而推动流水线效率提升。 利用调用着色器(callable shaders)处理高SIMD发散性计算，合理设计资源绑定，避免非统一采样器和描述符的非均匀访问，能极大提升Intel Arc计算单元的利用率。 针对光线追踪功能多采用本地根描述符或根常量，确保所需资源访问均匀，有助于TSU负载均衡和减少缓存失效。 避免资源绑定的非统一访问，是减少SIMD发散和内存请求过度的关键。笼统索引结构往往导致缓存无效和流水线停滞，开发者应采取统一化、批量化的访存策略。 同时，尽量减少对payload的更新次数，对能实时重算的数据做计算驱动，避免频繁存储，也是一项有效策略。
在任何击中着色器和交叉着色器中，应做到快速离开及早退出，减少不必要的着色器执行。 DXR1.1与RayQueries对Intel Arc架构的影响 Intel Arc GPU完全支持DXR1.1和RayQueries新特性，但这一模式的实现方式关闭了TSU的排序优化，变为同步执行模式。这样可能带来执行效率降低，尤其在异构材料和复杂射线路径时，SIMD利用率较低，光线执行被最长路径阻塞。 使用RayQueries的计算着色器需谨慎管理共享内存及线程同步。由于groupshared内存与RTU共享L1缓存，同时执行时会导致缓存竞争，降低整体性能。减小同步障碍使用波内部指令而非GroupMemoryBarrierWithGroupSync等同步极为重要。
总体来看，DXR1.0的异步机制仍是Intel Arc光线追踪性能的主流推动力，开发者应权衡使用场景和开发复杂度，合理选型。 总结 Intel Arc GPU凭借其创新的硬件加速设计、强大的线程排序机制和高度优化的RTAS构建，为游戏开发者提供了强大而灵活的实时光线追踪解决方案。理解其内部数据流、内存访问、线程调度及硬件特性，配合合理的着色器设计与加速结构组织，将有助于游戏开发者实现更高质量的光线追踪效果，同时保持良好的渲染性能。 面对不断扩展的游戏画面复杂度和现实感需求，掌握Intel Arc光线追踪技术将成为游戏图形开发的重要竞争力。借助Intel官方及社区不断丰富的文档支持和开发工具，开发者可以快速掌握最新的优化技巧，并将这一前沿技术应用于各种游戏场景，为玩家打造震撼的视觉盛宴。
