[发明专利]基于可重构数据流系统芯片阵列的3D图学渲染加速系统

说明书

本发明提供了一种基于可重构数据流系统芯片阵列的3D图学渲染加速系统，包括：单核或多核的CPU芯片；N个3D图学渲染加速卡；带有N个PCIe插槽的母板；其中：N个3D图学渲染加速卡经由所述母板上的PCIe插槽以及PCIe总线与所述CPU芯片相连；每个3D图学渲染加速卡包括：一个3DX‑FPGA芯片阵列和M个SDRAM芯片；其中，所述3DX‑FPGA芯片阵列包括：X×Y个用于3D图学渲染加速的3DX‑FPGA芯片；所述SDRAM芯片用于存储3D数据；每个3DX‑FPGA芯片的逻辑由K个XPU模块组成，每个XPU模块由J个个射线跟踪核组成。本发明可取代传统的基于多核CPU或GPU群的超级计算机而在3D图学应用的速度、功耗、体积与成本上取得较好的效果。

技术领域

本发明涉及3D图学技术领域，尤其涉及一种基于可重构数据流系统芯片阵列的3D图学渲染加速系统。

背景技术

3D图学渲染技术是现今3D计算机图学(3D Computer Graphics)的应用中需求性最高的技术。这个技术的最高诉求是在实时应用中产生真实的视觉影像。朝着这个方向，3D图学渲染技术的实现至今有3种方式：

1.基于中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)或图形处理器(GraphicProcessing Unit，简称GPU)的3D图学渲染技术。

2.基于专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，简称ASIC)芯片固定逻辑的3D图学渲染技术。

3.基于FPGA芯片可重构逻辑的3D图学渲染技术。

在许多大规模的3D应用中，最耗时间的任务是将3D影像的视觉信息表达在2D的平面上。尤其是在如3D工业设计、3D动画、3D电影特效编辑等的应用中做大规模、复杂的绘图设计(例如飞机、汽车的模型设计或城市景观设计)，能够迅速完成切面(Cutting Plane)、模型合并(Model Interrogation)、复杂着色(Sophisticated Shading)是一个基本的关键操作。这些不同的3D图学应用有一个共同的技术要求，就是高速的3D数字信号处理功能。在罗聪翼著的《Blender权威指南》书第7章第5节《渲染农场》中叙述：著名的电影特效工作室Weta Digital在制作电影《2012》(注：2009年美国科幻灾难片)的过程中，花费在单帧画面上的渲染时间平均为20个小时，而整个地震场景的特效帧数超过7000帧，所以总共的渲染时间大约为141，120小时。

根据Wikipedia报导，现在3D应用市场上的3D图学工具几乎全由基于光栅法的系统(Rasterization-Based System)。这个系统的软件部分由OpenGL API(www.opengl.org)的库函数以及它们的应用组成，硬件部分全是CPU或GPU以及少数设计使用的专用定制芯片。

自70年代开始至今，随着CPU/GPU芯片设计技术以及超深亚微米工艺芯片制造工艺的高度发展，基于光栅法的3D图学工具的品质与操作速度有特别的进步，但由于它的操作在本质上是指令级串行执行的方式，速度的上升远远跟不上超深亚微米工艺根据摩尔定律(Moore’s Law)的进步。也就是说，虽然超深亚微米工艺技术已使微电子电路达到Giga赫兹级的操作能力，但迄今为止，光栅法3D图学应用的速度仍未达到实时应用的要求。近10年来，一些利用多核与配合CPU的定制硬件的光栅法系统报导略超过每秒24帧的视频效果，但它们的开发周期漫长而成本昂贵。

自70年代，一个基于物理光学的光线跟踪法出现，企图得到一个物理上逼真的视觉效果，将光学中的反射、折射、透视与阴影的物理现象利用几何光学的射线法计算出来。由于光线跟踪法本质上避免了不可见部分的跟踪，计算量是物体复杂度的对数函数，与光栅法计算量是情景复杂度的线性函数相比，在针对复杂情景的3D图学应用中有明显的优势。但是它的计算量对现今的计算机软件运行速度而言是过分大的负担。