作者 | 陳大鑫
最近一年，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)正在迎來產(chǎn)業(yè)新浪潮，各路計(jì)算機(jī)圖形學(xué)大神紛紛創(chuàng)業(yè)成立新的公司。
然而這里面最引人矚目的還得屬今年年初，出身清華姚班、MIT博士畢業(yè)的胡淵鳴團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的太極圖形。
身為一家初創(chuàng)企業(yè)，想要一直保持競(jìng)爭(zhēng)力，就必須要不斷的成長。
那么這半年多來，太極圖形發(fā)展如何呢？太極編程語言又都取得了哪些最新進(jìn)展呢？
金色九月（9月4日），為了讓開發(fā)者更加真實(shí)更加近距離的來了解太極，太極圖形于北京中關(guān)村創(chuàng)業(yè)大街舉辦了一場(chǎng)面向開發(fā)者的技術(shù)交流盛會(huì)。
太極圖形的聯(lián)合創(chuàng)始人和核心開發(fā)人員們親臨現(xiàn)場(chǎng)，同步 Taichi 編程語言的最新進(jìn)展，并與所有參會(huì)的開發(fā)者們面對(duì)面交流，會(huì)前參會(huì)者踴躍報(bào)名，會(huì)中參會(huì)者積極提問，更是有近千位同學(xué)在線上觀看了當(dāng)天的直播。毫無疑問，這是一場(chǎng) Taichi 開發(fā)者知識(shí)與思辨的盛宴。
太極簡史
大會(huì)伊始，聯(lián)合創(chuàng)始人兼 CEO 胡淵鳴為大家回顧了一遍太極圖形精彩的前世今生。
2016年春天，胡淵鳴第一次萌生了打造“可重用圖形基礎(chǔ)設(shè)施”的想法。考慮到優(yōu)秀的圖形基礎(chǔ)設(shè)施將會(huì)創(chuàng)造無數(shù)個(gè)虛擬世界，胡淵鳴決定將項(xiàng)目命名為“太極”：“太極”在中國傳統(tǒng)哲學(xué)中意指“宇宙最原始的狀態(tài)”，并且其英文“Taichi”已經(jīng)廣泛被非漢語母語者接受，為未來的國際化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
轉(zhuǎn)眼5年已經(jīng)過去，Taichi 已經(jīng)由一套C++庫變成了完整的編程語言和編譯器、胡淵鳴也從清華姚班的一個(gè)大二本科生成長為了一個(gè)創(chuàng)業(yè)公司的CEO。
下圖的時(shí)間軸詳細(xì)地展示了太極從項(xiàng)目奠基到公司成立壯大的發(fā)展歷程。
許多人通過知乎上《99行代碼的冰雪奇緣》知道了Taichi，只需要99行代碼就可以寫一個(gè)簡單的連續(xù)介質(zhì)模擬器，模擬三種相互作用的不同材料（水，果凍，雪），效果逼真。時(shí)隔一年又半載，太極軟件工程師展示了最新的3D版“冰雪奇緣”，即 Taichi 基于GPU 的高性能 GUI 解決方案。GGUI可以直接獲取位于 GPU 上的太極物理仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，并直接在GPU上進(jìn)行渲染，實(shí)現(xiàn)了渲染性能的大幅提升。
Taichi Zoo上演示的2D“冰雪奇緣”—Yuanming Hu
實(shí)時(shí)3D MPM仿真—Dunfan Lu
被廣泛認(rèn)可的太極
太極的愿景是希望打造一個(gè)世界級(jí)的開源圖形基礎(chǔ)設(shè)施和云平臺(tái)，讓圖形計(jì)算惠及每一人，使命是解放創(chuàng)造力。太極的團(tuán)隊(duì)來自麻省理工學(xué)院，哈佛大學(xué)、微軟、谷歌、Facebook等頂尖的學(xué)府和企業(yè)，有超過半數(shù)的同學(xué)本科來自清北，2/3的同學(xué)擁有海外經(jīng)歷。開源是刻在太極基因里面非常重要的一點(diǎn)，太極是全球最大的開源平臺(tái)Github 上面最受關(guān)注的圖形計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一，也是一個(gè)由中國人主導(dǎo)的GPU編程系統(tǒng)，擁有世界范圍內(nèi)的影響力。
從外界認(rèn)可方面來看，太極獲得了紅杉資本數(shù)百萬美元的天使輪投資和中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì) 2020年度最佳圖形開源軟件獎(jiǎng)。
商業(yè)方面，太極和快手進(jìn)行了合作，使得太極的基礎(chǔ)設(shè)施能夠切切實(shí)實(shí)的讓每一個(gè)手機(jī)上面有 GPU 的同學(xué)可以去體驗(yàn)到太極的美妙，可以享受到實(shí)時(shí)物理仿真，給他們生活帶來樂趣。
?
有近百萬用戶快手用戶拍攝并上傳基于太極開發(fā)的魔法表情特效，其特效被2000多萬快手用戶觀看到。
在此發(fā)展過程中太極也收獲到了來自學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界眾多積極良好的反饋。
如快手 Y-tech 圖形 AI 團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人馬重陽表示：
太極編程語言和傳統(tǒng)的GPU編程方式比起來極其容易學(xué)習(xí)，即使是實(shí)習(xí)生也能在 1小時(shí)內(nèi)基本掌握。并且，太極程序一次開發(fā)后，可在 iOS、Android、PC等多平臺(tái)運(yùn)行... 滿足了快手魔法表情快速迭代的需求，對(duì)繁重的設(shè)備部署工作起到了很好的加速作用。谷歌的資深研究科學(xué)家 Alexander 表示：
我經(jīng)常抱怨類似 Numpy 的框架（如Tensorflow、JAX、PyTorch）在新型計(jì)算任務(wù)下不夠高效，今天我 benchmark了Physarum這個(gè)任務(wù)；Tensorflow 耗時(shí) 11.9 秒，但是 Taichi 只要240毫秒，Taichi 快了40~50倍，并且代碼更加可讀。中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)CG&CAD 專委會(huì)表示：
Taichi（太極）為整個(gè)仿真行業(yè)注入了新的力量，對(duì)于領(lǐng)域和學(xué)科的發(fā)展有很好推動(dòng)作用。太極也擁有非常強(qiáng)的國際影響力，其內(nèi)核算法和衍生應(yīng)用頻繁在最近的圖形學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)會(huì)議上出現(xiàn)... 代碼規(guī)范，文檔充足，并且維護(hù)人數(shù)正在變多，經(jīng)評(píng)委會(huì)嚴(yán)格評(píng)審及討論，一致認(rèn)為 Taichi 開源軟件獲得2020年度 “圖形開源軟件獎(jiǎng)”。麻省理工學(xué)院的博士生 Jie Xu表示：
當(dāng)我們?cè)趨⒓?MIT 斯隆商學(xué)院的金融工程課時(shí)，需要求解一個(gè)高維動(dòng)態(tài)規(guī)劃以來為金融產(chǎn)品定價(jià)時(shí)。編寫 C++ 甚至CUDA的巨大工作量讓我們望而卻步。好在太極提供了一個(gè)極其方便的 GPU 并行編程方案，使得我們的代碼不但比C++快了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而且更加容易編寫、維護(hù)。活動(dòng)當(dāng)天，美國、中國香港、杭州的三位太極用戶在線上進(jìn)行了實(shí)例分享：用太極編寫不可壓縮流體模擬器（如卡門渦街仿真）、太極在SLAM上的牛刀小試以及用太極實(shí)現(xiàn)雙向光線追蹤積分器（BDPT）。
卡門渦街-Zhuo Wang
這三位來自計(jì)算流體力學(xué)、工業(yè)機(jī)器人和圖形學(xué)的工程師分別展示了太極在各自研究領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，笑談道“以前用C++實(shí)現(xiàn)很勸退的，現(xiàn)在用太極容易很多”。除了易用性的增強(qiáng)，太極朝并行編程語言發(fā)展的潛力也逐漸在更多領(lǐng)域凸顯。
Taichi編程語言的格局正在從“Graphics Programming for Everyone” 向 “Parallel Programming for Everyone”逐漸展開實(shí)例 1: 用Taichi編寫不可壓縮流體模擬器 (基于FVM和SIMPLE格式) from 包乾不可壓縮流體是流體仿真中最基本的一種計(jì)算類型，也是很多更為復(fù)雜流體的計(jì)算的基礎(chǔ)。作者采用不可壓縮流體仿真中普遍被采用的有限體積法（FVM）和SIMPLE算法，實(shí)現(xiàn)了用Taichi語言在二維管道內(nèi)的非定常流體模擬，并通過添加障礙物的形式觀測(cè)到了卡門渦街的產(chǎn)生和發(fā)展。通過本項(xiàng)目，作者展示了Taichi語言在流體計(jì)算方面的易用和高效特性，并探索了工程流體仿真和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)流體仿真的區(qū)別與聯(lián)系。實(shí)例 2: Taichi在SLAM上的牛刀小試 徐浩
SLAM全稱為Simultaneous localization and mapping，即實(shí)時(shí)定位與地圖構(gòu)建，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人/無人機(jī)/自動(dòng)駕駛/eVTOL等至關(guān)重要。使用Taichi進(jìn)行mapping的SLAM后端，能夠快速遍歷特定層次、實(shí)現(xiàn)“免費(fèi)”的并行加速，并可專注于算法實(shí)現(xiàn)。實(shí)例 3: 如何用Taichi實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙向光線追蹤積分器 林耀冬 雙向路徑追蹤方法相比傳統(tǒng)單向方法，能更好模擬各種光學(xué)現(xiàn)象，但由于算法流程復(fù)雜，很少有并行實(shí)現(xiàn)的開源代碼。本項(xiàng)目利用了太極上手簡單，自動(dòng)并行的特性，使用500行左右代碼，實(shí)現(xiàn)了雙向路徑追蹤的并行版本，大大節(jié)省了搭建該算法原型的時(shí)間。
超強(qiáng)技術(shù)實(shí)戰(zhàn)
本次大會(huì)設(shè)置了互動(dòng)性極強(qiáng)的技術(shù)實(shí)戰(zhàn)環(huán)節(jié)—用太極實(shí)現(xiàn)N-body仿真，并講解了Taichi編程語言的基本語法。從為電腦裝載太極程序開始，太極圖形編譯器架構(gòu)師張愛玲手把手帶觀眾編寫自己的第一個(gè)太極程序—彈簧-質(zhì)點(diǎn)仿真游戲。幾十位觀眾抱著電腦當(dāng)場(chǎng)開碼，全神貫注宛如考試現(xiàn)場(chǎng)。太極圖形的軟件工程師們遍布各個(gè)角落給大家答疑，當(dāng)場(chǎng)有十多名同學(xué)成功完成實(shí)戰(zhàn)，最快的一位同學(xué)僅用時(shí)40分鐘。
太極圖形開發(fā)者大會(huì)上，太極圖形聯(lián)合創(chuàng)始人兼CTO匡冶正式發(fā)布了在線實(shí)時(shí)創(chuàng)作分享平臺(tái) Taichi Zoo（beta）。許多同學(xué)在電腦前自行體驗(yàn)了一番，在Taichi Zoo中只需簡短地編寫代碼、調(diào)整參數(shù)，點(diǎn)擊編譯，就可以立馬看到自己調(diào)試的動(dòng)態(tài)效果，還可以將自己的作品一鍵分享給同伴。
“嘗鮮地址”：zoo.taichi.graphics
本次大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)有6位太極圖形的軟件工程師進(jìn)行了技術(shù)進(jìn)展分享，展現(xiàn)了太極在易用性的提升：包括動(dòng)態(tài)field的添加刪除、緊密排布的內(nèi)存優(yōu)化、集成測(cè)試上的完善等等。
1、GGUI: Taichi基于GPU的高性能GUI解決方案 from 盧敦凡
本演講介紹了GGUI：太極基于GPU的高性能GUI解決方案。GGUI可以直接獲取位于GPU上的太極物理仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，并直接在GPU上進(jìn)行渲染，這使得GGUI可以高效地渲染。2、Packed Mode: 有效降低 Non-power-of-two Fields 的內(nèi)存占用 from 徐毅本演講主要介紹了Taichi新特性Packed Mode的設(shè)計(jì)。在Packed Mode下，Taichi不會(huì)自動(dòng)將Field每一維的大小對(duì)齊到二的次冪，因此能有效降低本身大小不是二的次冪的Field的內(nèi)存占用。本次演講詳細(xì)分析了二的次冪在Taichi Field實(shí)現(xiàn)過程中的使用（包括內(nèi)存排布、坐標(biāo)映射、Struct For到Range For的轉(zhuǎn)化等），并講解了如何不利用二的次冪進(jìn)行等價(jià)的實(shí)現(xiàn)。3、Dynamic Indexing: 運(yùn)行時(shí)自由訪問向量與矩陣元素 from 方燠張量計(jì)算被廣泛運(yùn)用在物理仿真，真實(shí)感渲染和模型處理等多個(gè)領(lǐng)域。Taichi編程語言針對(duì)張量必須使用常數(shù)下標(biāo)的這一限定，在優(yōu)化性能的同時(shí)，也給代碼實(shí)現(xiàn)增加了額外的限定，生成過量指令減緩編譯。演講從地址訪存的角度出發(fā)，探討了針對(duì)不同的變量類型，如何全面地支持動(dòng)態(tài)下標(biāo)，使太極語言更加完善。4、 Taichi的CI/CD系統(tǒng) from 張家聲Taichi作為一個(gè)社區(qū)的開源項(xiàng)目，是如何搭建起自己的CI/CD系統(tǒng)的？本次演講主要分享了Taichi在搭建CI/CD的過程中遇到的問題以及解決方案。5、與社區(qū)共建Taichi的Vulkan GPU后端 from 余暢本演講主要分享了太極社區(qū)的開發(fā)者們?nèi)绾螀f(xié)作完成Taichi Vulkan GPU后端的建設(shè)，在這個(gè)過程中遇到了一系列工程問題及解決方案，同時(shí)介紹了Taichi對(duì)于Unified Device API的未來規(guī)劃。6、Dynamic SNodes：在運(yùn)行時(shí)靈活添加、刪除Taichi Fields from 劉劍成本篇演講主要內(nèi)容為介紹Taichi的新特性——?jiǎng)討B(tài)申請(qǐng)和回收field。演講基于簡單的案例，簡要分析了如何在Taichi中聲明和使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SNodeTree，和Taichi是如何在即時(shí)編譯以及運(yùn)行時(shí)將聲明的SNodeTree利用起來達(dá)到訪存的目的的。在此之上，講解了如何使用開發(fā)的FieldsBuilder類進(jìn)行動(dòng)態(tài)申請(qǐng)與回收field，并剖析了它在Taichi中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，分析了這種實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，和已知的局限性，展望了未來可供進(jìn)一步開發(fā)的方向。活動(dòng)當(dāng)天，太極開源社區(qū)共建計(jì)劃、2022校招及太極圖形課第一季也重磅官宣。太極人從辦公室走到了用戶中間，聆聽所有的問題和建議，Taichi 也從高性能的編程語言走向了越來越廣闊的世界。
太極圖形 B站觀看大會(huì)回放（持續(xù)更新中）：https://space.bilibili.com/1779922645
雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)
雷峰網(wǎng)版權(quán)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。
