GPUの「レイトレーシング処理」改良の歴史をひもとく【GeForce RTX 40シリーズ編】

GeForce RTX 40シリーズでは、L2キャッシュの容量を増やしている（写真はNVIDIA設計の「GeForce RTX 4090 Founders Edition」）

　「レイトレーシングが変えるゲームグラフィックス」というテーマでつづってきた不定期連載。前回は「GPUから見たレイトレーシング」をテーマに、NVIDIAのGeForce RTX 30シリーズにおけるレイトレーシング処理の高速化手法を解説した。

　今回は、同シリーズの後継モデルで、今も現役の「GeForce RTX 40シリーズ」におけるリアルタイムレイトレーシング処理の“最適化”手法をチェックしていきたい。

●GeForce RTX 40シリーズは、レイトレの“どこ”を改善しようとした？

　GeForce RTX 40シリーズの開発において、NVIDIAはレイトレーシング性能を向上させるための改良や拡張に対し、“多角的な視点”で取り組んだとされる。

　一体どこがどう多角的なのか……を見ていく前に、説明の都合上「レイトレーシングとは何か？」という基礎を改めて振り返っておきたい（何度も説明していることなので、耳にたこができてしまっている人は、このパートは読み飛ばしても構わない）。

　大ざっぱに言えば、レイトレーシングとは「あるピクセルの色を算定するとき、そのピクセルが受け取っているはずの光の情報を得るために光線（＝レイ）を射出して、その軌跡をたどる（＝トレースする）処理」のことを指す。下図は、レイトレーシングにおける典型的な3つのパターンを示している。

　この図では、レイトレーシングにおけるレイトレース事例を示している。

　図の1-a～1-cは、「ターゲットのピクセルに光が当たっているか否か」を調べるためのロケット（＝レイ）だ。あるピクセルから飛ばしたロケットが光源に到達したら、発射元のピクセルには「光が当たっている」と判断できるので、プログラマブルシェーダー（最近のGeForceなら実務担当は「CUDAコア」）を呼び出して、そのピクセルの陰影具合を演算させるることになる。

　図の2-a～2-cは、「ターゲットのピクセルが影か否か」を調べるためのロケットだ。飛ばしたロケットが第三者に衝突したのであれば、「発射元のピクセルは第三者に遮蔽（しゃへい）されている」、つまり「影になっている」と判断できるので、発射元のピクセルは暗い色とすることになる。

　そして図の3-a～3-cは、光が当たっていると判断された発射元のピクセルから、視線の反射方向にもロケットを飛ばしているケースだ。もしも発射元のピクセルが、「テカテカとした金属のような鏡面反射特性の強い材質」だとすると、このロケットが視線の反射方向の第三者に衝突しら、「発射元ピクセルにはその第三者が映り込んでいる」と判断できる。