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随着超大规模集成电路设计、制造技术的发展，集成电路设计步入SoC时代，设计变得日益复杂。为了加快产品上市时间，以IP复用、软硬件协同设计和超深亚微米/纳米级设计为技术支撑的SoC已成为当今超大规模集成电路的主流方向，当前国际上绝大部分SoC都是基于多种不同IP组合进行设计，IP在集成电路设计与开发工作中已是不可或缺的要素。
同时随着先进制程的演进，线宽的缩小，使得芯片中晶体管的数量大幅提升，单颗芯片中可集成的IP数量也大幅增加。根据IBS报告，以28nm制程节点为例，单颗芯片中已可集成的IP数量为87个。当制程节点演进到7nm时，可集成的IP数量将达到178个。
从全球IP市场的发展情况来看，根据IBS数据显示，预计全球半导体IP市场将从2018年的46亿美元增至2027 年的101亿美元，增长率高达120%，年均复合增速达9.13％。其中处理器IP市场预计在2027年达到62.55亿美元，年复合增长率为10.15%。
相对于其他技术类型，处理器IP的供应商较为集中，Arm一家就占据整个IP市场40%以上的市场份额，其他供应商已经很难在通用MCU市场与其竞争，更多集中在GPU、FPGA、DSP等领域，直至近年RISC-V开源架构以及AI技术兴起，才引入一些新玩家。近日，在Imagination最新旗舰款GPU IP产品——IMG CXT的媒体发布会现场，该公司副总裁、中国区总经理刘国军在谈到下一阶段的挑战时就坦言，“我们有非常强大的竞争对手，他们的商务战略，包括打包的方式，以及在中国的运营模式，有时会给我们带来困扰。”
处理器IP的竞争策略
回顾这两家老牌处理器IP供应商的发展史，Imagination并不是没想过在打包这种商业模式上与Arm抗衡，包括此前收购MIPS业务就是一次尝试，只可惜MIPS市场和生态的颓势已定，无法帮助Imagination实现战略超越，后被出售直至关闭。
而作为一家处理器IP供应商，单一产品模式始终无法满足未来SoC客户在产品和技术形态的发展需求，也不能错过SoC产品对更多异构IP内核不断增长的市场机会。
上面也提到通用MCU市场的竞争格局和发展态势，因此不难理解在传统的GPU IP产品之外，Imagination近几年不断推出RISC-V架构处理器IP、神经网络加速器NNA以及以太网数据包处理器EPP等其他IP产品线的战略考量。
Imagination中国区董事长白农就表示，“作为一家处理器公司，我们意识到，对于现代SoC中的处理问题，并没有单一的解决方案，虽然GPU在许多领域表现出卓越的实力，但它并不能完美地解决所有问题。因此，我们大力投资解决异构计算问题，在异构计算中，计算工作负载可以分配给最适合执行该任务或部分任务的处理器。而处理单元的核心三要素是GPU、CPU和特定任务处理器（如我们的4NX神经网络处理单元）。”
以整体解决方案为目标，用户可以调整所有处理器之间的协作和效率机制，以提供最佳的处理解决方案。GPU和神经网络（NN）单元一起工作的例子很多（比如基于AI的图形图像后处理，包括降噪或抗锯齿等），但是如果没有高效CPU来实现整体控制流程，GPU和NN单元都无法工作。“此外RISC-V显示出巨大的市场潜力，可以部分替代垄断的Arm处理器体系结构。这就是我们投资RISC-V以及NNA和EPP这类特定处理器的原因。”白农如是说。
从市场应用和产业生态角度，随着智能化在不同终端应用领域的不断升级，处理器IP的竞争也从传统的桌面、手机扩展到更多应用场景。单就GPU IP而言，据权威调研机构预测，2020年全球GPU市场规模达254.1亿美元，预计2027年将达到1853.1亿美元，年复合增长率高达32.82%。按GPU的行业应用划分，市场可细分为电子、IT与电信、国防与情报、媒体与娱乐、汽车及其它。由于GPU在设计和工程应用中的广泛使用，预计汽车细分行业的年复合增长率最高，同时，游戏和数据中心也是GPU需求增长较快的细分市场。
处理器IP供应商要保证营收的持续快速增长并不断扩大市占，这些市场机会显然不容错过，而我们看到的往往是机会很多，这时选择不做什么是对所有决策者最大的考验，决定企业前途和生死。
Imagination的选择是发力四大方向，首先是汽车，在这一领域Imagination已经斩获不俗成绩。“特别是智能驾舱，GPU产品方面我们已经占有最高的市场占有率”刘国军介绍。“下一步我们会融合AI、GPU和计算技术助力ADAS/AD技术。”
其次是移动和消费终端，这样领域也是Imagination的传统优势市场，刘国军提到，“从图形的处理能力上，业界有很多的公司都认可PowerVR的GPU性能。”
再次为数据中心和桌面，这部分属于Imagination的新兴市场，但刘国军强调，“回到25-30年前，Imagination的前身，就是从桌面开始做图形处理，”近年有很多Imagination的合作伙伴看到云游戏、桌面的机会，因为数据中心和桌面对GPU有巨大需求，也就需要Imagination的底层IP来支持他们在这个领域的竞争从而把握新的机会。
最后是计算，前面也提到，未来是异构计算SoC的时代，Imagination显然想以GPU、CPU、AI、处理器多产品线的技术和产品布局迎接这个时代的到来。
光线追踪成GPU IP厂商竞争的重要技术标杆？
作为整个芯片产业的上游供应商，不管处理器IP厂商选择重点关注的市场和应用有何差异，其竞争的基础永远是产品的技术路径。
因为上面提到GPU市场在未来几年内将保持高复合增长率，同时其最大的应用场景--游戏跟大众消费者密切相关，也让这一领域的技术演进格外引人关注。近些年，“光线追踪”这个词越来越高频的出现在各大GPU厂商的技术和新品发布会上，俨然已经成为GPU核心性能尤其是图形展现逼真度的品质认证。
传统的GPU都使用光栅化技术显示3D物体，对物体进行3D建模，将其分割成若干三角形，三角形的细粒度很大程度上决定最后的成像质量，然后将三角形转换为2D屏幕上的像素点并分配初始颜色值，接下来进行像素处理，基于场景修改像素颜色，并将纹理应用于像素，从而生成像素的最终颜色。
光线追踪与光栅化的实现原理不同，它最早由IBM的Arthur Appel于1969年在“Some Techniques for Shading Machine Renderings of Solids”中提出，光线追踪通过从观察点对每一个像素发射一条光线并找到在世界场景中阻挡光线路径的最近物体来渲染场景，光线有两种，第一种是视者发射的光线，来寻找场景中的交点，另一种是从交点发到灯光的阴影射线，看自身是否是处于阴影当中，光线追踪的一个显著优点是能够处理不平整的表面和固体。
光线追踪对于反射和阴影有着更逼真的处理效果，尽管目前仍然是采用光线追踪和传统光栅图形处理相结合的方式来进行图形渲染，但其效果已经远超传统光栅图形处理，对于游戏、电影等追求逼真光影效果的应用，光线追踪能提供电影级画质的实时渲染，带来视觉效果上质的飞跃。
而自1969年概念诞生起，直到2018年实时光线追踪光线技术开始落地，阻碍这一技术发展的最大缺点就是性能，它需要的计算量非常巨大。传统的光栅图形学中的算法，利用了数据的一致性从而在像素之间共享计算，但是光线跟踪通常是将每条光线当作独立的光线，每次都要重新计算，也导致硬件的功耗很难控制。
虽然目前市面上宣称具备光线追踪能力的GPU产品很多，但在Imagination看来，大多数产品的技术实现还停留在软件层面，用Imagination在2020年9月发布的光线追踪等级系统（Ray Tracing Levels System）来评估只是在Level 1的水平。
Imagination在2020年发布的光线追踪等级系统
图源 Imagination
而Imagination最新发布的面向移动端应用的IMG CXT系列GPU IP已达到Level 4等级。Imagination中国区战略市场与生态副总时昕博士表示，“Imagination在光线追踪方面投入大概有10年左右的历史了，在2014年的时候就有一款测试的芯片，采用 28nm工艺，功耗在个位数。但当时整个生态还没有准备好，当时的图形API标准还没有关于光线追踪的部分，包括相关的开发工具软件、游戏引擎等等也没有光线追踪的功能。但是从2012年开始，我们看到整个业界生态都开始在投入，我们认为这个时候是和合作伙伴一起推出具有光线追踪功能的芯片的时机已经到来了。”
IMG CXT系列首款产品CXT RT3在单核和多核条件下的性能表现
图源 Imagination
至于产品的功耗表现，Imagination技术前瞻副总裁Kristof Beets介绍，“在复杂场景下，要靠着色器去完成对于场景的渲染，所要消耗的资源、功耗非常大，我们现在把这部分工作从原有的着色器分流到了专门的光线追踪硬件部分来完成，从而让效率得到极大提升。”这也是为什么Imagination认为其IMG CXT系列可以给移动端产品和应用提供更好的性能表现的原因。
据官方介绍，目前IMG CXT系列已经向多家芯片商授权，硬件开发，加之软件、内容源等生态的配合，预计到2023年消费者可以在市场上看到相关终端产品，体验到实时光线追踪技术给手游等内容带来的更加真实的图形展现。
