CPU渲染和GPU渲染优劣分析

使用计算机进行渲染时，有两种流行的系统：基于中央处理单元 (CPU) 或基于图形处理单元 (GPU)。CPU 渲染利用计算机的 CPU 来执行场景并将其渲染到接近完美。这也是执行渲染的更传统方式。然而，随着 GPU 的出现，基于 GPU 的渲染获得了很大的普及。这些 GPU 是特定用途的芯片，在某些情况下提供与 CPU 渲染相当的结果。从广义上讲，GPU 渲染允许同时运行更多的并行进程，这使其速度更快，但它可以执行的任务数量有限。因此，在渲染具有许多对象的大型、详细场景时，它就没有那么强大了。另一方面，CPU 渲染不允许并行进程，但它可以执行更多不同的任务，从而呈现更多细节。Mythbusters 的演示中展示了两种渲染类型之间的区别。

在本文中，我们将研究 CPU 和 GPU 渲染，指出它们的区别，并考虑它们最适合什么，以便您可以根据您的目标和可能性看到哪个选项可能更方便。

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什么是渲染？

渲染是使用计算机应用程序从 2D 或 3D 模型生成最终图像的过程。渲染过程就像一幅画的最终着色。最初，这幅画从简单的素描开始，当艺术家为画作添加颜色和纹理时，它最终变得栩栩如生。类似地，在渲染中，原始模型被赋予所有微小的细节，例如纹理、光照和摄像机角度，直到我们得到最终输出。计算机系统中的渲染由系统中的 CPU 或 GPU 执行。有时，在混合设置中，例如使用 V-Ray 等软件，CPU 和 GPU 一起工作以创建最终输出。了解这两种类型的渲染将有助于评估它们之间的差异。

所以，让我们先看看基于 CPU 和 GPU 的渲染是什么，然后我们将讨论区分它们的特性。

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CPU 渲染：基础知识

CPU 渲染引擎提供了更多功能来微调场景中的各种参数

如今，一个 CPU 构成了运行整个系统的多个高功率内核。这些内核以高频率运行，使它们能够以非常快的速度执行操作。此外，核心数越多，渲染性能越好。现代 CPU 拥有多达 64 个内核，可提供出色的渲染性能。CPU 渲染还受益于它可以访问板载随机存取存储器 (RAM) 的事实。这允许用户相对轻松地渲染具有大量数据的场景。CPU 渲染也以其渲染质量而闻名。例如，皮克斯使用CPU 渲染，因此其电影的视觉质量非常出色。CPU 渲染具有优势的一个很好的例子是架构设计。如果要创建具有许多复杂几何形状和微小细节的场景，CPU 渲染的好处将提供更好和更准确的结果。

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GPU 渲染：基础知识

GPU 让预算有限的用户更容易获得渲染

GPU 有数千个以相对较低的时钟速度运行的小内核。在这种情况下，正是这些核心的数量让 GPU 能够提供强大的渲染性能。GPU 本质上被设计为以并行方式运行任务。这使它们比 CPU 更具优势，因为渲染是一项通常涉及许多元素的任务。因此，GPU 以其极快的渲染时间而闻名。快速渲染允许 GPU 实时处理图形，这就是为什么您会发现现代视频游戏使用 GPU 运行起来更加流畅。与游戏行业一起，GPU 已经彻底改变了加密、大数据、人工智能和机器学习领域。GPU 渲染在许多领域逐渐普及，正在挑战传统的 CPU 渲染系统。Autodesk 的 Arnold 推出了他们的GPU 渲染引擎，认识到其巨大潜力。

尽管对差异的概述有助于更清楚地了解每个系统，但 CPU 和 GPU 的各种独特功能也值得了解。

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CPU 与 GPU：差异

设计

Threadripper 3990x等功能强大的 CPU几乎有 64 个内核（而普通 PC 有 4 到 8 个内核）。与 GPU 内核相比，这些内核的数量可能更少，但它们更高的时钟频率使它们能够更快地运行任务。对于渲染，更高的核心数通常更好。

相比之下，GPU 拥有数千个内核——在Nvidia RTX 3090的情况下为 10,496 个。然而，这些内核的时钟频率比 CPU 低得多。只有绝对数量的内核才能弥补它们的速度，并且在某些渲染场景中，GPU 才能胜过 CPU。

质量

与 GPU 相比，CPU 具有更少的内核，但它们的通用性要高得多，并且旨在执行复杂的指令集。这使得 CPU 可以毫不费力地运行几乎任何算法，从而提供更好的质量结果。在质量方面，GPU 无法与 CPU 匹敌。您通常会发现 GPU 渲染中的噪点更多。

内存优势

CPU 可以访问系统内存。这使他们可以使用大量内存，这些内存可以升级。Threadripper 3990x 可以支持 512 GB 的 DDR4 RAM。这使 CPU 能够在具有许多对象和细节的复杂场景中渲染大量数据。GPU 受到其内置视频 RAM (VRAM) 的限制。最新的 Nvidia 3090 只有 24 GB 的 VRAM，这对于大多数用户来说已经绰绰有余，但在元素众多的复杂场景中，它可能会成为瓶颈。复杂场景CPU可以通过设计处理各种任务。这在工作类型不一致或一次处理的工作量太多的工作负载中很有用。GPU 主要受其硬件能力的限制。它们的设计目的单一，通常用于重复运行相同的任务。此外，RAM 限制加上较慢的内核限制了它们有效渲染各种场景的能力。

稳定

不同的渲染系统，不同的质量

CPU 内置于系统中并与系统良好集成。所有应用程序的构建都考虑了操作系统核心的 CPU。并且由于 CPU 用于渲染的时间很长，因此大多数 bug 已被修复。当您使用 CPU 进行渲染时，这本质上会带来更好的整体系统稳定性。

GPU 更容易出现故障。突然的电源波动、驱动程序更新以及与某些系统缺乏兼容性，都会导致 GPU 性能不佳和不稳定。

速度

GPU 并行运行任务，这通常会提高速度，因为可以同时渲染场景的各种元素。这会导致更快的周转并有助于重复过程。GPU 也主要用于需要实时渲染的领域（如视频游戏）。CPU 的内核较少，旨在按顺序运行任务。因此，它们通常比 GPU 慢。CPU 的资源可用性也受到限制。由于它必须执行许多任务，CPU 不能仅将其所有硬件都用于渲染。这也导致速度较慢。定期改进随着我们（似乎）接近摩尔定律的极限，每一代新一代 CPU 之间的飞跃似乎都在放缓。随着时间的推移，这可能会导致性能停滞不前，甚至可能导致 GPU 不断改进。最近，我们看到 GPU 创新出现了惊人的飞跃，AMD和Nvidia等公司都在该领域展开了激烈的竞争。GPU的创新周期肯定比CPU快。而且由于升级 GPU 要容易得多，因此您可以期待每一代新一代的渲染性能都会提高。硬件成本与性能级 CPU 相比，GPU 接近价格范围的低端。一个好的 GPU，比如RTX 3090，可以花费大约 1500 美元，而像Threadripper 3990x这样强大的 CPU 的价格是 5000 美元。GPU 还在升级方面为您提供优势。您只需将另一个 GPU 连接到您预先存在的设置，就可以了。当您希望使用 CPU 进行升级时，除了 CPU 的成本之外，您可能还需要投资购买更多兼容的硬件。渲染引擎

渲染引擎是决定 CPU 和 GPU 渲染的另一个关键因素。许多渲染引擎仅在 CPU 或 GPU 上工作。因此，渲染引擎还决定了您可以在系统上运行哪些渲染软件。Arnold、Corona 和 3Delight 等渲染引擎在 CPU 上工作并产生稍高质量的结果。同时，Blender Cycles、Octane 和 Redshift 等渲染器针对 GPU 进行了优化。渲染硬件

平衡的渲染设置对于获得最佳性能至关重要

设置系统硬件的方式也会影响渲染性能。也许一个好的 CPU 会比几十个 GPU 做得更好，或者你可以为你的工作流使用一个带有强大 GPU 的基本 CPU。这可以通过一些硬件基准来评估。判断渲染性能的两种流行方法是用于 CPU 渲染的Cinebench和用于 GPU 渲染的Octanebench 。它们都是业内最好的基准标准。根据CG Director 的基准测试，具有更高时钟速度的多核 CPU 是您工作流程的更好选择。在Octanebench 基准测试中，根据其渲染分数、性能和价格对各种 GPU 进行比较。

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结论

因此，即使有很多需要考虑，我们也可以根据您的需要总结 CPU 和 GPU 渲染之间的差异：如果您的工作流程需要速度、复杂性较低并且在工作中保持一致，那么 GPU 渲染设置会对您有好处。除了降低硬件成本外，工作质量与 CPU 渲染不相上下。GPU 渲染也会以更好的方式适合初学者的个人资料。

如果你是一个优先考虑质量的人，在硬件上花费的预算更大，并且可以等待质量结果，那么 CPU 渲染就是要走的路。您不仅将从渲染质量中受益，而且轻松处理复杂场景的能力将为您带来竞争优势。