Por dentro da arquitetura Turing da NVIDIA

Núcleos Tensor e RT

Núcleos Tensor

Os núcleos Tensor são unidades de execução especializadas em operações com matrizes e tensores. Estas operações são a base dos algoritmos de aprendizegem profunda ("deep learning"). Assim, esses núcleos servem para acelerar algoritmos de inteligência artificial.

Uma das aplicações práticas destes núcleos é no novo filtro chamado DLSS (Deep Learning Super Sampling, superamostragem de aprendizagem profunda), que utiliza inteligência artificial para melhorar a qualidade da imagem. A ideia é fazer o trabalho efetuado por filtros como o TAA (Temporal Anti Aliasing, antisserrilhado temporal), porém com maior desempenho.

A Figura 3 mostra um comparativo de número de operações com matrizes por ciclo na geração Pascal e na geração Turing.

Figura 3: capacidade de operações com matrizes

O conjunto de tecnologias que utilizam a aprendizagem profunda é chamado pelo fabricante de NGX, que utiliza redes neurais profundas para implementar o DLSS (filtro para melhoria de imagem), InPainting (edição de imagem), AI Slow-Mo (super câmera lenta em vídeos) e AI Super REZ (aumento de resolução em imagens).

Núcleos RT

Os núcleos RT servem especificamente para implementar técnicas de traçado de raios (ray tracing), que é uma técnica de produção de imagens em duas dimensões a partir de uma modelagem em três dimensões, por meio da simulação do comportamento de raios de luz. Trata-se de uma técnica relativamente antiga: todas as animações por computador são produzidas por meio desta técnica.

O comportamento da luz pode ser explicado por meio de raios. Estes raios partem das fontes luminosas (Sol, lâmpadas, etc) e, ao tocarem em objetos, podem ser refletidos, refratados ou absorvidos inúmeras vezes. A técnica de traçado de raios, em vez de calcular a trajetória dos raios ao saírem das fontes luminosas, traça o caminho inverso, calculando os raios de luz que chegam na "câmera", um pixel por vez. Para cada pixel, é calculada uma quantidade enorme de raios de luz, suas interações com os objetos presentes na cena e com as fontes de luz.

A vantagem desta técnica é que ela produz imagens realistas, não só dos objetos definidos, mas também dos reflexos, sombras, níveis de iluminação, etc. A desvantagem, obviamente, é que trata-se de um processo que exige enorme poder computacional. Para um filme, às vezes são necessárias horas de processamento para cada minuto de filme, mesmo utilizando um grande número de supercomputadores. Isso faz com que a técnica seja excelente para a produção de filmes, mas inviável para a geração de imagens de um jogo, que precisam ser calculadas em tempo real, baseadas no controle do jogador.

Figura 4: processo de traçado de raios

A arquitetura Turing oferece o cálculo de raios de luz por hardware que, embora muito mais rápido do que o cálculo tradicional de raios, utilizando processadores, ainda é insuficiente para que cada quadro de um jogo fosse totalmente gerado, em tempo real, utilizando essa técnica.

Assim, o que é proposto é uma combinação das técnicas tradicionais de geração de imagens (rasterização) para a geração da imagem principal, utilizando o traçado de raios para a geração de elementos extras como sombras e reflexos, por meio dos núcleos RT. Ainda são utilizados algoritmos de inteligência artificial para reduzir o número de raios a serem calculados e, por interpolação, eliminar o ruído resultante, de forma a obter uma imagem realista em tempo real.

Na Figura 5, vemos um exemplo de utilização de traçado de raios para inserir reflexos realistas em uma cena do jogo Battlefield V.

Figura 5: exemplo de utilização de traçado de raios no Battlefield V