光线追踪核心

链：算力芯片 · 图形处理单元 · 光线追踪核心 概念页版本：v2；更新日期：2024-09-30

1. 3 秒看懂

光线追踪核心是集成在GPU内部的一类专用硬件加速模块，专门负责高速计算光线与虚拟场景中物体（三角形、包围盒）的相交测试与遍历。它不是独立的芯片，而是现代图形处理器微架构的关键升级，使电影级的真实光影、反射与全局照明能够以实时速度运行，是游戏、影视制作、数字孪生等产业从“画得像”迈向“物理准”的核心硬件支点。

2. 3 分钟产业解释

光线追踪核心（Ray Tracing Core，常写作RT Core、Ray Accelerator等）是与通用着色器核心并行部署的固定功能单元。传统光栅化渲染通过一系列近似技巧模仿反射和阴影，而光线追踪模拟光子从光源出发、被场景物体反弹并最终到达虚拟摄像机的物理过程，能够自然产生准确的镜面反射、柔和阴影、折射和全局光照。硬件核心通过将最耗时的“光线遍历BVH（层次包围盒）加速结构”和“光线-三角形相交计算”从软件中解放出来，大幅提升光线追踪管线的吞吐量。

为什么关键？过去实现一帧电影级光线追踪渲染往往需要分钟乃至小时级计算，直到2018年NVIDIA推出首款集成RT Core的消费级图灵架构GPU，实时光线追踪才第一次进入游戏和交互式应用。这不是简单的性能倍增，而是图形技术的代际范式迁移——从此硬件路线从堆砌更多通用浮点算力，转向“固定功能加速+AI重建”的混合体系。光线追踪核心与AI核心（如Tensor Core）形成协同：RT Core生成物理正确的少量采样图像，AI核心通过深度学习降噪（如NVIDIA DLSS Ray Reconstruction、AMD FSR降噪）重建出最终画面，兼顾画质与帧率。

在产业链中的位置，光线追踪核心位于 “算力芯片” 层下的 “图形处理单元” 微架构内部，直接贡献于GPU的差异化竞争力。它的进步拉动上游半导体IP、先进制程、高带宽存储器需求，并直接赋能下游游戏引擎、影视实时制作、工业仿真、自动驾驶数据生成等领域。自2018年起，支持硬件光追的GPU出货量迅速增长，据Jon Peddie Research和Mercury Research的追踪，到2023年支持光线追踪的独立显卡已占全年出货量的85%以上，成为消费级与专业级GPU的市场主流。

3. 技术原理

光线追踪核心的硬件加速逻辑围绕两个最耗时的计算步骤展开：BVH遍历和光线-图元相交测试。

渲染一帧画面时，每条从摄像机射出的光线都需要尽快判定是否与场景中某个三角形相交。场景往往包含百万至千万三角形，逐个测试不可行，需要构建层次包围盒加速结构（BVH）。传统通用计算核心（着色器单元）处理BVH遍历会产生大量分支和随机寻址，导致SIMD线路使用率极低、延迟巨大。专用核心内置了硬化的遍历流水线，按照深度优先或包围盒顺序快速下降BVH树，同时利用光线边界盒相交测试单元并行判决光线穿过哪些节点，再将最终候选的少量三角形传给三角形相交测试单元进行精确计算。

以NVIDIA RT Core为例，从图灵架构（第一代）到Ada Lovelace架构（第三代），硬件不断增强功能与效率：

• 第一代RT Core（2018年）将BVH遍历和三角形相交从着色器中分离，实现约10倍于相同浮点性能传统渲染的光追吞吐。
• 第二代（Ampere架构，2020年）增加对稀疏BVH、运动模糊射线和时间插值的硬件支持，光线-三角形相交速率翻倍。
• 第三代（Ada Lovelace架构，2022年）引入着色器执行重排序（SER）、位移微图（Displaced Micro-Meshes）和不透明度微图（Opacity Micro-Mesh） 等硬件加速，能将发散的光线请求重新组织以提高并行性，同时大幅减少需要相交测试的图元数量。据NVIDIA白皮书，RTX 4090的第三代RT Core可提供约200 RT-TFLOPS的光追算力，是Ampere架构的2.8倍（来源：NVIDIA Ada Lovelace架构白皮书，2022年9月）。

AMD在RDNA 2架构（2020年）引入Ray Accelerator，每个计算单元（CU）集成一个光线加速单元，负责遍历和相交测试。RDNA 3（2022年）增强了Ray Accelerator的浮点吞吐能力并改进了异步光追调度，官方数据显示每瓦光追性能较前代提升最高50%（来源：AMD RDNA 3架构介绍，2022年11月）。Intel则在Xe HPG架构（Arc A系列，2022年）内置光线追踪单元，每个Xe核心配备一个硬件光追单元，兼容DirectX Raytracing Tier 1.1，实现了与主流应用的对齐。

AI与光追的深度协同是技术架构的另一主线。低采样率光追图像充满噪声，传统时域累积与空间滤波器无法完美恢复。借助GPU上的张量核心（Tensor Core / AI加速器），神经网络学习从噪声输入到清洁图像的映射，在帧间产出稳定画面。NVIDIA DLSS 3.5的Ray Reconstruction技术便是以此思想设计，将光追采样子集和着色器输出一起送入AI模型重建。这种**“RT Core粗采样 + AI Core精重建”**的管线，充分利用了光线追踪核心的物理准确性与AI核心的模式识别能力，使得路径追踪等极高负载算法在消费级硬件上达到可玩帧率。

4. 关键参数

评价光线追踪核心的硬件能力，不同厂商使用不同口径，常见参数包括：

• RT Core数量 / Ray Accelerator数量：NVIDIA每SM（流式多处理器）配备1个RT Core（部分架构同），RTX 4090含128个第三代RT Core。AMD每CU配1个Ray Accelerator，RX 7900 XTX含96个。Intel Arc A770每Xe核心1个光追单元，共32个。
• 光线追踪吞吐量（RT-OPS / RT-TFLOPS）：NVIDIA公布RT核心的光追性能指标，如RTX 4090的200 RT-TFLOPS。AMD与Intel未公开直接对标数字，通常以游戏帧率和综合测试衡量。
• BVH遍历与相交速率：该指标反映硬件每周期处理射线求交的能力，如Ampere架构声称每秒可处理770亿次射线-三角形相交测试（来源：NVIDIA Ampere GA10X白皮书）。
• 支持的光线追踪特效：如不透明度微图、位移微图（仅Ada Lovelace）、光照循环支持、着色器重排序等，间接决定硬件对复杂场景的适应能力。
• 显存带宽与容量：光追数据结构巨大，频繁采样加重显存压力。高端光追GPU多配GDDR6X或HBM并辅以高速缓存（如Ada的96 MB L2）。

典型2023-2024年消费级GPU的硬件光追核心关键参数：

数据来源：NVIDIA、AMD、Intel官方规格表及架构白皮书（2022-2023年）；性能比值参考Tom’s Hardware、Eurogamer/Digital Foundry等媒体综合游戏测试。中国公司GPU（如摩尔线程MTT S80，壁仞BR104）虽支持硬件光追功能，但截至2024年Q3，公开资料未见其具体RT Core数量或光追性能指标的官方披露，无法直接量化对比。

5. 技术路线

光线追踪核心的技术演进呈现三条主线：固定功能硬化深度提升、AI重建深度融合、从混合渲染走向全路径追踪。

NVIDIA自2018年起以明确的代际路线推进：

• 图灵（2018）：引入第一代RT Core，实现基本光线追踪与BVH遍历硬化，拉开硬件光追序幕。
• 安培（2020）：第二代RT Core支持稀疏BVH和时间插值，使光追反射与阴影性能翻倍。
• Ada Lovelace（2022）：第三代RT Core大幅增加硬件特性（SER、OMM、DMM），使路径追踪成为高端GPU的可玩模式；同期推出DLSS 3帧生成加Ray Reconstruction，AI管线深度耦合。
• Blackwell（2024年发布）：第四代RT Core进一步扩展对毛发、流体、复杂几何的光追处理，并面向数据中心级光追渲染（Omniverse）进行优化（来源：NVIDIA GTC 2024 keynote）。

AMD则倾向于更为渐进的策略，强调在现有RDNA架构中嵌入类通用加速单元，减少专用硬件面积，并通过开源软件、开放标准（如DirectX Raytracing、Vulkan Ray Tracing）与竞争者互操作。RDNA 2实现了从无到有的跨越，RDNA 3增强了每个计算单元的光追能力并提升了缓存命中率。下一代RDNA 4架构预计在2024年底或2025年初推出，AMD公开表示将显著改进光线追踪硬件，可能包含类似重排序的机制，但细节未公布（来源：AMD Financial Analyst Day 2024简报）。

Intel作为后进者，首代Xe HPG光追单元体现了“够用就好”的策略，专注DirectX Raytracing兼容性和综合性能。未来Xe2架构（Battlemage）将提供更强的光追硬件，并可能整合AI降噪加速器。

技术路线也在向“全路径追踪”合拢。过去游戏引擎采用光栅化为主、光追为辅的混合渲染。随着硬件光追性能指数级增长，高端PC和游戏主机已开始尝试每像素多采样路径追踪。NVIDIA在2023年发布的《赛博朋克2077》路径追踪模式是该趋势的标杆，几乎完全依赖RT Core与AI重建。软件侧，Unreal Engine 5的Lumen系统也实现了软件/硬件光追双模，引擎对光追核心的依赖将逐步提高。开源标准方面，Vulkan Ray Tracing、DirectX Raytracing 1.2（引入执行重排序等）正试图将各家硬件的先进特性标准化，以降低开发者适配成本。

6. 上游

光线追踪核心是深嵌在GPU微架构中的IP，上游涵盖半导体IP授权、EDA工具、半导体制造设备与材料、高带宽存储器等。

半导体IP授权：Arm的Mali GPU（如Immortalis-G715）已支持硬件光线追踪，面向移动和汽车图形市场；Imagination Technologies的C系列PowerVR GPU也被宣传为具备光追加速能力。这些IP供应商将光追核心作为可授权模块嵌入其GPU设计，是许多独立Soc设计商（尤其在移动端和车机端）获得光追能力的基础。

EDA与设计工具：光追核心涉及复杂的遍历状态机、浮点/整数混合运算单元以及大量本地缓存设计，依赖先进的RTL仿真、硬件仿真（Emulation）及形式验证工具。Synopsys（用于VCS、Zebu等）和Cadence（Palladium、Xcelium）在此领域为主要供应商。此外，光线追踪核心的物理实现必须应对极高晶体管密度与频率带来的功耗和信号完整性挑战，对物理设计EDI和后端工具依赖极大。

半导体制造与设备：硬件光追单元的晶体管面积增加和微架构复杂度，意味着必须采用先进的制程工艺。目前主流光追GPU由台积电（NVIDIA Ada、AMD RDNA 3、Intel Arc部分）、三星（NVIDIA Ampere部分、新版可能继续合作）利用5nm/4nm/6nm等节点代工。光刻机（ASML EUV）、原子层刻蚀和沉积设备（应用材料、泛林）决定了能否以可接受良率实现数十亿晶体管的规模。以RTX 4090为例，AD102芯片集成763亿晶体管，其中RT Core相关逻辑占据可观的面积及功耗预算（来源：NVIDIA白皮书，TechInsights拆解分析）。

封装与高速存储：光线追踪数据流需极高带宽，推动2.5D/3D先进封装、CoWoS（台积电）和HBM/GDDR6X/GDDR7等高速存储器发展。封装测试厂商如日月光、安靠等受益于高端GPU封测需求增长。三星、美光、SK海力士为GDDR6X和GDDR7主要制造商，其产品供应节奏直接影响光追GPU的代际升级。

上游风险与中国自主：国内EDA与国际先进工具存在性能差距，尤其在7nm以下设计验证存在挑战。先进制程受限也导致中国GPU厂商无法采用5nm/4nm节点，光追核心的体量和能效受到工艺约束。存储器方面，国内武汉存储企业逐步覆盖GDDR6产品，但更高带宽的GDDR6X或GDDR7公开资料未见规模量产。因此，中国光追GPU上游供应链的完整性仍面临较大压力。

7. 下游

光线追踪核心的下游生态辐射到游戏开发与发行、影视实时制作、工业可视化、建筑与设计、自动驾驶仿真等众多领域，与终端硬件形成双轮驱动。

游戏产业是第一推动力。主要商业游戏引擎Unity和Unreal Engine已将硬件光追管线作为标准特性。支持光线追踪的3A游戏数量快速增加。据NVIDIA RTX游戏列表，截至2024年8月已有超过500款游戏及应用支持RTX光追或AI增强特性（来源：NVIDIA官网）。Steam平台上，根据2024年9月硬件调查，支持硬件光线追踪的显卡（NVIDIA RTX 20/30/40系列，AMD RX 6000/7000系列，Intel Arc系列）合计占比已超过60%，成为绝对的玩家主流。主机方面，PlayStation 5和Xbox Series X/S均基于AMD RDNA 2架构，具备硬件光追能力，持续推动跨平台光追游戏的普及。

影视与实时制作：使用虚幻引擎构建虚拟制片（Virtual Production）流程已成为电影工业标准，例如《曼达洛人》等作品在LED墙实时渲染中大量依赖光追实现逼真光照。NVIDIA Omniverse和RTX专业显卡（A系列、RTX Ada Generation系列）面向工作室，通过RT Core实现协同设计中的准确全局光照。Autodesk Arnold、Chaos V-Ray等渲染器也逐步推出GPU光追加速后端。

工业与设计可视化：汽车设计师在VR环境中实时评估光线反射在车身面板上的效果，建筑事务所利用Lightmass或Chaos光线追踪预览自然采光，这些都直接依赖硬件光追核心。西门子、达索系统等工业软件已集成基于DirectX Raytracing的实时视窗。

自动驾驶与仿真：利用光追生成像素级精确的传感器数据，训练自动驾驶感知模型。NVIDIA DRIVE Sim利用RT Core构建高保真数字孪生场景，提升仿真数据的真实度。同时，激光雷达与相机模型也需要光追生成准确反射回波，这部分市场处于快速拓展期。

中国下游生态：中国游戏厂商（如腾讯、网易）已推出多款支持光线追踪的客户端游戏，但出海和国内大量移动端游戏尚未普及硬件光追。影视制作和虚拟制片领域，中国数字王国、Base FX等公司依赖NVIDIA专业显卡的RT Core。近两年国内也开始有工业设计软件（如中望、华大九天部分可视化模块）探索集成光追功能，不过生态成熟度仍落后于国际主流。

8. 受益公司

光线追踪核心的商业价值并非以独立产品形式体现，而是嵌入在GPU产品链中。主要受益方包括：

NVIDIA（英伟达，NASDAQ:NVDA） 作为硬件光追的开创者和生态构建者，RT Core是其游戏与专业可视化业务的护城河。2023财年（截至2023年1月29日）NVIDIA游戏业务（含GeForce RTX系列）营收为90.7亿美元；2024财年（截至2024年1月28日）游戏营收104.4亿美元，同比增长15%。专业可视化业务（Quadro/RTX A系列）2024财年营收15.5亿美元。此外，数据中心GPU（如L40S）也包含RT Core，赋能Omniverse和渲染农场，但收入归入数据中心分部，未单独披露光追贡献（来源：NVIDIA 10-K年报）。可见光追核心为NVIDIA游戏与可视化产品提供了持续的定价权和换代动力。

AMD（超威半导体，NASDAQ:AMD） AMD游戏业务包括Radeon显卡和半定制芯片（游戏主机）。2023年全年游戏部分营收为62亿美元，其中Radeon渠道收入占比有限，但RX 6000/7000系列以硬件光追作为对位竞争的功能标配。尽管在光追生态和性能上与NVIDIA存在差距，但开源FSR策略和游戏主机内置光追能力扩大其触达用户面的广度（来源：AMD 2023年报）。AMD也在积极通过改进硬件缩小光追代差。

Intel（英特尔，NASDAQ:INTC） Intel在2022年重返消费独立显卡市场，Xe HPG架构的Arc A系列和后续产品均含硬件光追单元。不过在财报中，加速计算系统与图形事业部（AXG，后并入CCG及DCAI）2023年全年营收为10.5亿美元，主要来自数据中心GPU和计算加速卡，消费级Arc GPU的贡献极小（来源：Intel 2023年10-K）。Intel通过驱动更新和整合CPU优势，正试图建立第三极光追竞争。

游戏引擎与内容厂商 Unity（NYSE:U）和Epic Games通过硬件光追增强高质量渲染，吸引开发者，并推动订阅收入增长。大型游戏厂商如CD Projekt Red、Remedy等因光追技术提升画面口碑和销量，间接受益。

中国GPU公司 寒武纪（688256.SH）在其智能加速卡MLU370和后续系列中声称集成了光线追踪硬件加速单元，但其2023年营收7.09亿元主要来自智能计算集群，光追功能目前未呈现实质性商业回报。壁仞科技、摩尔线程、沐曦等均宣称GPU具备光追能力，但均未上市，公开资料未见相关产品带来可归属细分市场收入，生态建设仍处于早期，短期商业受益尚难量化。

9. 市场规模

光线追踪核心的市场规模难以单独剥离，因其作为GPU微架构的一部分与芯片整体融为一体。行业通常从独立显卡总体市场和渗透率来间接估算。

根据Jon Peddie Research（JPR）发布的2023年第四季度AIB（Add-in Board）报告，2023年Q4全球独立显卡出货量为1130万片，全年出货量约4000万片，较2022年下降约8%，主要受矿潮退潮和PC市场疲软影响（来源：JPR 2024年3月）。Mercury Research的跟踪同样显示，2023年全年独立显卡出货量在4000万片水平。支持硬件光线追踪的GPU在出货中的占比：自2021年起，NVIDIA的GTX 16系列和AMD的RX 5000系列等不支持光追的上一代产品逐步退市；到2023年Q4，NVIDIA RTX 20/30/40、AMD RX 6000/7000及Intel Arc系列合计占独立显卡出货量的近95%（基于Mercury Research分类数据估算）。因此，光追核心所搭载的独立显卡年度出货规模约3800万片。

就销售额口径，以平均售价约350美元（综合高中低端）粗略推算，2023年全球独立显卡市场规模在130-150亿美元区间，其中光追显卡对应的市场价值约为120-140亿美元。此外，支持光追的集成/移动GPU市场（如AMD Ryzen APU 600M/700M系列、笔记本RTX系列、游戏主机）数量庞大，但通常不计入独立显卡统计。据IDC，2023年全球游戏类PC（台式+笔记本）出货量超7000万台，多数配有光追核心（来源：IDC Quarterly Gaming Tracker 2024年1月）。将独立显卡、游戏主机（PS5/Xbox Series 2023年合计出货超4000万台）和游戏笔记本加总，2023年具备硬件光追核心的设备年销量超过1.5亿台，构成图形和AI技术普及的庞大用户基础。需要说明的是，主机用AMD半定制芯片的光追核心无独立定价，但贡献了AMD游戏分部的实质收入。

长远看，随着移动端（手机、AR眼镜）GPU也开始集成小型光追硬件（如Arm Immortalis），以及汽车HMI、工业数字孪生等领域应用铺开，硬件光追核心的搭载量将持续扩大，但尚无权威机构给出明确的细分市场预测值。

10. 玩家对比

截至2024年第三季度，消费级GPU光线追踪核心的直接参与者为NVIDIA、AMD、Intel，市场格局极不均衡。

架构与硬件实现

• NVIDIA：已迭代至第四代RT Core（Blackwell），消费端主流为第三代（Ada）。硬件含SER、OMM、DMM等专有特性，通过对管线进行细致的固定功能硬化，可将大量耗时的着色操作转移至RT Core。
• AMD：RDNA 3采用增强型Ray Accelerator，每个CU都有硬件单元支持光线遍历和相交，但未公开类似SER的专业硬件。优势在于开放标准、较低驱动开销和极具竞争力的光栅化性能。
• Intel：Arc A系列Xe光追单元设计比较保守，相当于NVIDIA第一代RT Core偏上的水平，重点实现兼容性。Battlemage将大幅提升。

软件生态与功能

• NVIDIA拥有RTX技术栈：DLSS 3.5（超分辨率、帧生成、光线重建）、NVIDIA Reflex、RTXGI、RTX Direct Illumination等。其OptiX API和Omniverse为专业用户提供深厚支持。
• AMD支撑FSR 3开源超分和帧生成，光追降噪依赖动态全局照明或手动实现，生态碎片化但硬件兼容广。在主机平台上光追游戏优化与AMD硬件绑定，推动整体游戏