光線追蹤核心
鏈：算力晶片 · 圖形處理單元 · 光線追蹤核心 概念頁版本：v2；更新日期：2024-09-30
1. 3 秒看懂
光線追蹤核心是整合在GPU內部的一類專用硬體加速模組，專門負責高速計算光線與虛擬場景中物體（三角形、包圍盒）的相交測試與遍歷。它不是獨立的晶片，而是現代圖形處理器微架構的關鍵升級，使電影級的真實光影、反射與全域性照明能夠以即時速度執行，是遊戲、影視製作、數字孿生等產業從“畫得像”邁向“物理準”的核心硬體支點。
2. 3 分鐘產業解釋
光線追蹤核心（Ray Tracing Core，常寫作RT Core、Ray Accelerator等）是與通用著色器核心並行部署的固定功能單元。傳統光柵化渲染通過一系列近似技巧模仿反射和陰影，而光線追蹤模擬光子從光源出發、被場景物體反彈並最終到達虛擬攝像機的物理過程，能夠自然產生準確的鏡面反射、柔和陰影、折射和全域性光照。硬體核心通過將最耗時的“光線遍歷BVH（層次包圍盒）加速結構”和“光線-三角形相交計算”從軟體中解放出來，大幅提升光線追蹤管線的吞吐量。
為什麼關鍵？過去實現一幀電影級光線追蹤渲染往往需要分鐘乃至小時級計算，直到2018年NVIDIA推出首款整合RT Core的消費級圖靈架構GPU，即時光線追蹤才第一次進入遊戲和互動式應用。這不是簡單的效能倍增，而是圖形技術的代際範式遷移——從此硬體路線從堆砌更多通用浮點算力，轉向“固定功能加速+AI重建”的混合體系。光線追蹤核心與AI核心（如Tensor Core）形成協同：RT Core生成物理正確的少量取樣影像，AI核心通過深度學習降噪（如NVIDIA DLSS Ray Reconstruction、AMD FSR降噪）重建出最終畫面，兼顧畫質與幀率。
在產業鏈中的位置，光線追蹤核心位於 “算力晶片” 層下的 “圖形處理單元” 微架構內部，直接貢獻於GPU的差異化競爭力。它的進步拉動上游半導體IP、先進製程、高頻寬儲存器需求，並直接賦能下游遊戲引擎、影視即時製作、工業模擬、自動駕駛資料生成等領域。自2018年起，支援硬體光追的GPU出貨量迅速增長，據Jon Peddie Research和Mercury Research的追蹤，到2023年支援光線追蹤的獨立顯示卡已佔全年出貨量的85%以上，成為消費級與專業級GPU的市場主流。
3. 技術原理
光線追蹤核心的硬體加速邏輯圍繞兩個最耗時的計算步驟展開：BVH遍歷和光線-圖元相交測試。
渲染一幀畫面時，每條從攝像機射出的光線都需要儘快判定是否與場景中某個三角形相交。場景往往包含百萬至千萬三角形，逐個測試不可行，需要建置層次包圍盒加速結構（BVH）。傳統通用計算核心（著色器單元）處理BVH遍歷會產生大量分支和隨機定址，導致SIMD線路使用率極低、延遲巨大。專用核心內建了硬化的遍歷流水線，按照深度優先或包圍盒順序快速下降BVH樹，同時利用光線邊界盒相交測試單元並行判決光線穿過哪些節點，再將最終候選的少量三角形傳給三角形相交測試單元進行精確計算。
以NVIDIA RT Core為例，從圖靈架構（第一代）到Ada Lovelace架構（第三代），硬體不斷增強功能與效率：
- 第一代RT Core（2018年）將BVH遍歷和三角形相交從著色器中分離，實現約10倍於相同浮點效能傳統渲染的光追吞吐。
- 第二代（Ampere架構，2020年）增加對稀疏BVH、運動模糊射線和時間插值的硬體支援，光線-三角形相交速率翻倍。
- 第三代（Ada Lovelace架構，2022年）引入著色器執行重排序（SER）、位移微圖（Displaced Micro-Meshes）和不透明度微圖（Opacity Micro-Mesh） 等硬體加速，能將發散的光線請求重新組織以提高並行性，同時大幅減少需要相交測試的圖元數量。據NVIDIA白皮書，RTX 4090的第三代RT Core可提供約200 RT-TFLOPS的光追算力，是Ampere架構的2.8倍（來源：NVIDIA Ada Lovelace架構白皮書，2022年9月）。
AMD在RDNA 2架構（2020年）引入Ray Accelerator，每個計算單元（CU）整合一個光線加速單元，負責遍歷和相交測試。RDNA 3（2022年）增強了Ray Accelerator的浮點吞吐能力並改進了非同步光追排程，官方資料顯示每瓦光追效能較前代提升最高50%（來源：AMD RDNA 3架構介紹，2022年11月）。Intel則在Xe HPG架構（Arc A系列，2022年）內建光線追蹤單元，每個Xe核心配備一個硬體光追單元，相容DirectX Raytracing Tier 1.1，實現了與主流應用的對齊。
AI與光追的深度協同是技術架構的另一主線。低取樣率光追影像充滿噪聲，傳統時域累積與空間濾波器無法完美恢復。藉助GPU上的張量核心（Tensor Core / AI加速器），神經網路學習從噪聲輸入到清潔影像的對映，在幀間產出穩定畫面。NVIDIA DLSS 3.5的Ray Reconstruction技術便是以此思想設計，將光追取樣子集和著色器輸出一起送入AI模型重建。這種**“RT Core粗取樣 + AI Core精重建”**的管線，充分利用了光線追蹤核心的物理準確性與AI核心的模式識別能力，使得路徑追蹤等極高負載演算法在消費級硬體上達到可玩幀率。
4. 關鍵引數
評價光線追蹤核心的硬體能力，不同廠商使用不同口徑，常見引數包括：
- RT Core數量 / Ray Accelerator數量：NVIDIA每SM（流式多處理器）配備1個RT Core（部分架構同），RTX 4090含128個第三代RT Core。AMD每CU配1個Ray Accelerator，RX 7900 XTX含96個。Intel Arc A770每Xe核心1個光追單元，共32個。
- 光線追蹤吞吐量（RT-OPS / RT-TFLOPS）：NVIDIA公佈RT核心的光追效能指標，如RTX 4090的200 RT-TFLOPS。AMD與Intel未公開直接對標數字，通常以遊戲幀率和綜合測試衡量。
- BVH遍歷與相交速率：該指標反映硬體每週期處理射線求交的能力，如Ampere架構聲稱每秒可處理770億次射線-三角形相交測試（來源：NVIDIA Ampere GA10X白皮書）。
- 支援的光線追蹤特效：如不透明度微圖、位移微圖（僅Ada Lovelace）、光照迴圈支援、著色器重排序等，間接決定硬體對複雜場景的適應能力。
- 視訊記憶體頻寬與容量：光追資料結構巨大，頻繁取樣加重視訊記憶體壓力。高階光追GPU多配GDDR6X或HBM並輔以快取記憶體（如Ada的96 MB L2）。
典型2023-2024年消費級GPU的硬體光追核心關鍵引數：
| GPU型號 | 架構 | 光追硬體 | RT核心數量 | 光追效能（官方） | 視訊記憶體頻寬 |
|---|---|---|---|---|---|
| NVIDIA RTX 4090 | Ada Lovelace | 第三代RT Core | 128 | 200 RT-TFLOPS | 1,008 GB/s |
| NVIDIA RTX 4070 | Ada Lovelace | 第三代RT Core | 46 | 約67 RT-TFLOPS | 504 GB/s |
| AMD RX 7900 XTX | RDNA 3 | 增強型Ray Accelerator | 96 | 官方未公佈，綜合約為NVIDIA同級60-75% | 960 GB/s |
| Intel Arc A770 | Xe HPG | Xe光追單元 | 32 | 官方未公佈，定位1080p光追中等畫質 | 560 GB/s |
資料來源：NVIDIA、AMD、Intel官方規格表及架構白皮書（2022-2023年）；效能比值參考Tom’s Hardware、Eurogamer/Digital Foundry等媒體綜合遊戲測試。中國公司GPU（如摩爾線程MTT S80，壁仞BR104）雖支援硬體光追功能，但截至2024年Q3，公開資料未見其具體RT Core數量或光追效能指標的官方揭露，無法直接量化對比。
5. 技術路線
光線追蹤核心的技術演進呈現三條主線：固定功能硬化深度提升、AI重建深度融合、從混合渲染走向全路徑追蹤。
NVIDIA自2018年起以明確的代際路線推進：
- 圖靈（2018）：引入第一代RT Core，實現基本光線追蹤與BVH遍歷硬化，拉開硬體光追序幕。
- 安培（2020）：第二代RT Core支援稀疏BVH和時間插值，使光追反射與陰影效能翻倍。
- Ada Lovelace（2022）：第三代RT Core大幅增加硬體特性（SER、OMM、DMM），使路徑追蹤成為高階GPU的可玩模式；同期推出DLSS 3幀生成加Ray Reconstruction，AI管線深度耦合。
- Blackwell（2024年釋出）：第四代RT Core進一步擴充套件對毛髮、流體、複雜幾何的光追處理，並面向資料中心級光追渲染（Omniverse）進行最佳化（來源：NVIDIA GTC 2024 keynote）。
AMD則傾向於更為漸進的策略，強調在現有RDNA架構中嵌入類通用加速單元，減少專用硬體面積，並通過開源軟體、開放標準（如DirectX Raytracing、Vulkan Ray Tracing）與競爭者互操作。RDNA 2實現了從無到有的跨越，RDNA 3增強了每個計算單元的光追能力並提升了快取命中率。下一代RDNA 4架構預計在2024年底或2025年初推出，AMD公開表示將顯著改進光線追蹤硬體，可能包含類似重排序的機制，但細節未公佈（來源：AMD Financial Analyst Day 2024簡報）。
Intel作為後進者，首代Xe HPG光追單元體現了“夠用就好”的策略，專注DirectX Raytracing相容性和綜合性能。未來Xe2架構（Battlemage）將提供更強的光追硬體，並可能整合AI降噪加速器。
技術路線也在向“全路徑追蹤”合攏。過去遊戲引擎採用光柵化為主、光追為輔的混合渲染。隨著硬體光追效能指數級增長，高階PC和遊戲主機已開始嘗試每畫素多采樣路徑追蹤。NVIDIA在2023年釋出的《賽博朋克2077》路徑追蹤模式是該趨勢的標杆，幾乎完全依賴RT Core與AI重建。軟體側，Unreal Engine 5的Lumen系統也實現了軟體/硬體光追雙模，引擎對光追核心的依賴將逐步提高。開源標準方面，Vulkan Ray Tracing、DirectX Raytracing 1.2（引入執行重排序等）正試圖將各家硬體的先進特性標準化，以降低開發者適配成本。
6. 上游
光線追蹤核心是深嵌在GPU微架構中的IP，上游涵蓋半導體IP授權、EDA工具、半導體制造裝置與材料、高頻寬儲存器等。
半導體IP授權：Arm的Mali GPU（如Immortalis-G715）已支援硬體光線追蹤，面向移動和汽車圖形市場；Imagination Technologies的C系列PowerVR GPU也被宣傳為具備光追加速能力。這些IP供應商將光追核心作為可授權模組嵌入其GPU設計，是許多獨立Soc設計商（尤其在行動端和車機端）獲得光追能力的基礎。
EDA與設計工具：光追核心涉及複雜的遍歷狀態機、浮點/整數混合運算單元以及大量本地快取設計，依賴先進的RTL模擬、硬體模擬（Emulation）及形式驗證工具。Synopsys（用於VCS、Zebu等）和Cadence（Palladium、Xcelium）在此領域為主要供應商。此外，光線追蹤核心的物理實現必須應對極高電晶體密度與頻率帶來的功耗和訊號完整性挑戰，對物理設計EDI和後端工具依賴極大。
半導體制造與裝置：硬體光追單元的電晶體面積增加和微架構複雜度，意味著必須採用先進的製程工藝。目前主流光追GPU由台積電（NVIDIA Ada、AMD RDNA 3、Intel Arc部分）、三星（NVIDIA Ampere部分、新版可能繼續合作）利用5nm/4nm/6nm等節點代工。光刻機（ASML EUV）、原子層刻蝕和沉積裝置（應用材料、科林研發）決定了能否以可接受良率實現數十億電晶體的規模。以RTX 4090為例，AD102晶片整合763億電晶體，其中RT Core相關邏輯佔據可觀的面積及功耗預算（來源：NVIDIA白皮書，TechInsights拆解分析）。
封裝與高速儲存：光線追蹤資料流需極高頻寬，推動2.5D/3D先進封裝、CoWoS（台積電）和HBM/GDDR6X/GDDR7等高速儲存器發展。封裝測試廠商如日月光、安靠等受益於高階GPU封測需求增長。三星、美光、SK海力士為GDDR6X和GDDR7主要製造商，其產品供應節奏直接影響光追GPU的代際升級。
上游風險與中國自主：國內EDA與國際先進工具存在效能差距，尤其在7nm以下設計驗證存在挑戰。先進製程受限也導致中國GPU廠商無法採用5nm/4nm節點，光追核心的體量和能效受到工藝約束。儲存器方面，國內武漢儲存企業逐步覆蓋GDDR6產品，但更高頻寬的GDDR6X或GDDR7公開資料未見規模量產。因此，中國光追GPU上游供應鏈的完整性仍面臨較大壓力。
7. 下游
光線追蹤核心的下游生態輻射到遊戲開發與發行、影視即時製作、工業視覺化、建築與設計、自動駕駛模擬等眾多領域，與終端硬體形成雙輪驅動。
遊戲產業是第一推動力。主要商業遊戲引擎Unity和Unreal Engine已將硬體光追管線作為標準特性。支援光線追蹤的3A遊戲數量快速增加。據NVIDIA RTX遊戲列表，截至2024年8月已有超過500款遊戲及應用支援RTX光追或AI增強特性（來源：NVIDIA官網）。Steam平台上，根據2024年9月硬體調查，支援硬體光線追蹤的顯示卡（NVIDIA RTX 20/30/40系列，AMD RX 6000/7000系列，Intel Arc系列）合計佔比已超過60%，成為絕對的玩家主流。主機方面，PlayStation 5和Xbox Series X/S均基於AMD RDNA 2架構，具備硬體光追能力，持續推動跨平台光追遊戲的普及。
影視與即時製作：使用虛幻引擎建置虛擬製片（Virtual Production）流程已成為電影工業標準，例如《曼達洛人》等作品在LED牆即時渲染中大量依賴光追實現逼真光照。NVIDIA Omniverse和RTX專業顯示卡（A系列、RTX Ada Generation系列）面向工作室，通過RT Core實現協同設計中的準確全域性光照。Autodesk Arnold、Chaos V-Ray等渲染器也逐步推出GPU光追加速後端。
工業與設計視覺化：汽車設計師在VR環境中即時評估光線反射在車身面板上的效果，建築事務所利用Lightmass或Chaos光線追蹤預覽自然採光，這些都直接依賴硬體光追核心。西門子、達索系統等工業軟體已整合基於DirectX Raytracing的即時視窗。
自動駕駛與模擬：利用光追生成畫素級精確的感測器資料，訓練自動駕駛感知模型。NVIDIA DRIVE Sim利用RT Core建置高保真數字孿生場景，提升模擬資料的真實度。同時，雷射雷達與相機模型也需要光追生成準確反射回波，這部分市場處於快速拓展期。
中國下游生態：中國遊戲廠商（如騰訊、網易）已推出多款支援光線追蹤的客戶端遊戲，但出海和國內大量行動端遊戲尚未普及硬體光追。影視製作和虛擬製片領域，中國數字王國、Base FX等公司依賴NVIDIA專業顯示卡的RT Core。近兩年國內也開始有工業設計軟體（如中望、華大九天部分視覺化模組）探索整合光追功能，不過生態成熟度仍落後於國際主流。
8. 受益公司
光線追蹤核心的商業價值並非以獨立產品形式體現，而是嵌入在GPU產品鏈中。主要受益方包括：
NVIDIA（輝達，NASDAQ:NVDA） 作為硬體光追的開創者和生態建置者，RT Core是其遊戲與專業視覺化業務的護城河。2023財年（截至2023年1月29日）NVIDIA遊戲業務（含GeForce RTX系列）營收為90.7億美元；2024財年（截至2024年1月28日）遊戲營收104.4億美元，年增率增長15%。專業視覺化業務（Quadro/RTX A系列）2024財年營收15.5億美元。此外，資料中心GPU（如L40S）也包含RT Core，賦能Omniverse和渲染農場，但營收歸入資料中心分部，未單獨揭露光追貢獻（來源：NVIDIA 10-K年報）。可見光追核心為NVIDIA遊戲與視覺化產品提供了持續的定價權和換代動力。
AMD（超威半導體，NASDAQ:AMD） AMD遊戲業務包括Radeon顯示卡和半定製晶片（遊戲主機）。2023年全年遊戲部分營收為62億美元，其中Radeon渠道營收佔比有限，但RX 6000/7000系列以硬體光追作為對位競爭的功能標配。儘管在光追生態和效能上與NVIDIA存在差距，但開源FSR策略和遊戲主機內建光追能力擴大其觸達使用者面的廣度（來源：AMD 2023年報）。AMD也在積極通過改進硬體縮小光追代差。
Intel（英特爾，NASDAQ:INTC） Intel在2022年重返消費獨立顯示卡市場，Xe HPG架構的Arc A系列和後續產品均含硬體光追單元。不過在財報中，加速計算系統與圖形事業部（AXG，後併入CCG及DCAI）2023年全年營收為10.5億美元，主要來自資料中心GPU和計算加速卡，消費級Arc GPU的貢獻極小（來源：Intel 2023年10-K）。Intel通過驅動更新和整合CPU優勢，正試圖建立第三極光追競爭。
遊戲引擎與內容廠商 Unity（NYSE:U）和Epic Games通過硬體光追增強高質量渲染，吸引開發者，並推動訂閱營收增長。大型遊戲廠商如CD Projekt Red、Remedy等因光追技術提升畫面口碑和銷量，間接受益。
中國GPU公司 寒武紀（688256.SH）在其智慧加速卡MLU370和後續系列中聲稱集成了光線追蹤硬體加速單元，但其2023年營收7.09億元主要來自智慧計算叢集，光追功能目前未呈現實質性商業回報。壁仞科技、摩爾線程、沐曦等均宣稱GPU具備光追能力，但均未上市，公開資料未見相關產品帶來可歸屬細分市場營收，生態建設仍處於早期，短期商業受益尚難量化。
9. 市場規模
光線追蹤核心的市場規模難以單獨剝離，因其作為GPU微架構的一部分與晶片整體融為一體。行業通常從獨立顯示卡總體市場和滲透率來間接估算。
根據Jon Peddie Research（JPR）釋出的2023年第四季度AIB（Add-in Board）報告，2023年Q4全球獨立顯示卡出貨量為1130萬片，全年出貨量約4000萬片，較2022年下降約8%，主要受礦潮退潮和PC市場疲軟影響（來源：JPR 2024年3月）。Mercury Research的追蹤同樣顯示，2023年全年獨立顯示卡出貨量在4000萬片水平。支援硬體光線追蹤的GPU在出貨中的佔比：自2021年起，NVIDIA的GTX 16系列和AMD的RX 5000系列等不支援光追的上一代產品逐步退市；到2023年Q4，NVIDIA RTX 20/30/40、AMD RX 6000/7000及Intel Arc系列合計佔獨立顯示卡出貨量的近95%（基於Mercury Research分類資料估算）。因此，光追核心所搭載的獨立顯示卡年度出貨規模約3800萬片。
就銷售額口徑，以平均售價約350美元（綜合高中低端）粗略推算，2023年全球獨立顯示卡市場規模在130-150億美元區間，其中光追顯示卡對應的市場價值約為120-140億美元。此外，支援光追的整合/移動GPU市場（如AMD Ryzen APU 600M/700M系列、筆記本RTX系列、遊戲主機）數量龐大，但通常不計入獨立顯示卡統計。據IDC，2023年全球遊戲類PC（臺式+筆記本）出貨量超7000萬臺，多數配有光追核心（來源：IDC Quarterly Gaming Tracker 2024年1月）。將獨立顯示卡、遊戲主機（PS5/Xbox Series 2023年合計出貨超4000萬臺）和遊戲筆記本加總，2023年具備硬體光追核心的裝置年銷量超過1.5億臺，構成圖形和AI技術普及的龐大使用者基礎。需要說明的是，主機用AMD半定製晶片的光追核心無獨立定價，但貢獻了AMD遊戲分部的實質營收。
長遠看，隨著行動端（手機、AR眼鏡）GPU也開始整合小型光追硬體（如Arm Immortalis），以及汽車HMI、工業數字孿生等領域應用鋪開，硬體光追核心的搭載量將持續擴大，但尚無權威機構給出明確的細分市場預測值。
10. 玩家對比
截至2024年第三季度，消費級GPU光線追蹤核心的直接參與者為NVIDIA、AMD、Intel，市場格局極不均衡。
架構與硬體實現
- NVIDIA：已迭代至第四代RT Core（Blackwell），消費端主流為第三代（Ada）。硬體含SER、OMM、DMM等專有特性，通過對管線進行細緻的固定功能硬化，可將大量耗時的著色操作轉移至RT Core。
- AMD：RDNA 3採用增強型Ray Accelerator，每個CU都有硬體單元支援光線遍歷和相交，但未公開類似SER的專業硬體。優勢在於開放標準、較低驅動開銷和極具競爭力的光柵化效能。
- Intel：Arc A系列Xe光追單元設計比較保守，相當於NVIDIA第一代RT Core偏上的水平，重點實現相容性。Battlemage將大幅提升。
軟體生態與功能
- NVIDIA擁有RTX技術棧：DLSS 3.5（超解析度、幀生成、光線重建）、NVIDIA Reflex、RTXGI、RTX Direct Illumination等。其OptiX API和Omniverse為專業使用者提供深厚支援。
- AMD支撐FSR 3開源超分和幀生成，光追降噪依賴動態全域性照明或手動實現，生態碎片化但硬體相容廣。在主機平台上光追遊戲最佳化與AMD硬體繫結，推動整體遊戲