英伟达的新显卡如何影响我们的游戏

       时间:2020.09.10 19:09 - 编辑:小师傅

编者按:本文作者是一位资深的图形硬件从业者。NVIDIA发布了rtx30系列新显卡。这对玩家意味着什么?经过这么多年的追光和DLSS,这次能带来什么翻天覆地的变化?

在媒体和厂家之间“谁知道,没关系,别让他知道是我送的”半年后。最终,英伟达新显卡的大战终于尘埃落定。黄仁勋从厨房显卡上拿下新一代RTX 30:销量不增(甚至相对降价),史上最大一代进步,性价比爆发,全球玩家欢庆,核弹无敌的声音从塞伦盖蒂传到乌拉尔山脉

庆典结束后,除了对钱包的担忧外,新显卡和下一代游戏机对未来五年的游戏机意味着什么更值得探讨。上一代游戏技术,特别是3D图形技术遇到了哪些问题,新硬件如何解决这些问题,未来又能期待什么?

是什么限制了我们玩更好的游戏

7年前,PS4和Xbox one发布时,两大巨头根据前两代的经验(或教训)共同选择了AMD的x86 CPU+GPU定制SOC解决方案。节约成本自然是目标之一。更重要的是要以最低的学习成本创造一个友好的开发环境,从而避免“吃掉主机性能”的痛苦过程。

然而,七年前,AMD的产品并没有今天那么强大。考虑到整体功耗,微软和索尼“被迫”选择了捷豹架构下低功耗的CPU内核。在某些应用场景中,它甚至不如上一代的CPU强大。这就带来了这一代游戏开发者面临的第一个核心问题:CPU性能不足,导致游戏世界模拟和游戏角色AI的局限性。

这个问题的出现没花多少时间。由于开发人员高估了主机的CPU性能,《刺客信条:革命》在场景和角色的复杂性上取得了一系列突破。大规模的字符人工智能操作导致主机版本的性能爆炸。因此,刺客信条:减少了小雄的场景规模和人物数量,以保证弱小的美洲虎CPU能够顺利运行。

英伟达的新显卡如何影响我们的游戏

在过去的七年里,各种各样的猫和狗开始玩开放的世界,但几乎没有一款游戏能取得让人感觉“时代变了”的进步。换句话说,图形和游戏内容正在改进,但就开放世界的规模、精度和复杂性而言,这是一个停滞不前的一代。

正因为如此,当ps5和Xbox series X确认他们正在使用最新的Zen2架构的CPU时,所有对游戏技术充满热情的人都认为它终于变得轻巧了。CPU性能的巨大提升意味着一个更广阔、更丰富的开放世界,更复杂、更真实的游戏AI。GTA6会是什么样子?即使在老款游戏机中,核心处理器的使用率也不会低于30万台,尽管如此,我们还是无法想象在老款游戏机中,CPU的使用率会比传统主机低30万PC机只有主机的进步才能带动整个行业的发展。

CPU的进步值得期待,但今天主要讨论的还是显卡和屏幕:这一代游戏开发中图像领域最重要的两项技术应用是什么?后期处理和升级。

简而言之,后处理就是GPU先渲染场景中所有对象的图像,然后根据该帧添加一系列效果:环境遮挡、抗锯齿、高光、阴影、景深、反射等。

这一代游戏的一大趋势是比PS3和Xbox360更追求“电影化”:物体的清晰度不再重要,而是更加注重现实主义和艺术风格。这意味着除了渲染原始图像外,还需要使用大量的系统资源来计算一系列的后处理效果。基于1080p分辨率设计的主机GPU面临着巨大的挑战。

后处理包括大小几十种常见效果,但可以概括为“光源发出的光在不同的物理材料、物体关系和观察角度的影响下产生的视觉效果”。因此,在护城河的一方,全世界的PC人开始思考,“既然我们要追求光影的真实性,我们要不要直接计算每一个光的路径?”

所以“光追”来了

“光线追踪”不是一个新概念。关于如何使用计算机硬件模拟真实照明的论文已经出现了几十年。自21世纪初以来,许多CG电影都转向了全光线跟踪渲染,但它们都是在大型渲染场中离线渲染,完成一帧需要几秒钟甚至更长的时间。实时游戏场景中的光线追踪实际上是一种科学幻想,至少在RTX之前是这样。

两年前,PC游戏市场达到了历史最高点,加密货币的开采带来了一波又一波的市场。AMD作为竞争对手,在中高端市场没有竞争力。英伟达觉得是时候大胆地玩了。整个RTX20系列显卡只是在逼迫用户帮老黄吃第一只螃蟹——强力给市场一个新产品,以满足一个没有人知道它存在的需求。非“轻追逐”游戏的性能稍有改善,再加上支持“轻追逐”的小得可笑的阵容,几乎让玩家为一个新功能付费,他们把99%的时间都花在了钩子上。

然而,星星之火可以燎原。虽然我们被迫生产GTX显卡而没有“轻追”来补贴家用,并反复展示刀法,只是为了与AMD的56和57系列显卡进行点对点标记,RTX支持下的控制和地铁图像质量已经达到了传统硬件无法比拟的高度。《我的世界》的RTX版本是一个认知层面的“杀手级应用”——今天,AMD即将发布的ps5、Xbox和big Navi都证实了它们支持硬件“light chase”。英伟达无疑又赢了一场豪赌,使得“光追”成为游戏光影效果的发展方向。

英伟达的新显卡如何影响我们的游戏

从“曲线救国”到“围魏救赵”

当GPU的性能被后处理不断压缩时,大量的游戏无法在1080p原生分辨率的主机上运行,于是另一种技术诞生了:升级。

PS4和Xbox one在设计之初就预见到有些游戏会遇到性能问题,所以它们都内置了特殊的图像缩放功能。然而,问题是它们实际上只是“放大”。当原始分辨率低于900p时,无法看到直接放大的图像。

更糟糕的是,全球4K电视机的出货率从13年的不到1%上升到仅4年就超过70%。4K电视的升级迫在眉睫。然而,游戏机毕竟是一台游戏机。那些敢于高价出售的人,可能都没听说过梁木老师傅是怎么退休的。这两款4K主机的性能都不是很出色,PS4 Pro仅比PS4高出2.5倍。它使用2.5倍的GPU性能来渲染1080p分辨率。没有必要成为天才才知道这是没有用的。

为了避免出现全屏狗牙的悲剧,很多科技型公司开始尝试绕过主机放大,解决游戏引擎原始分辨率不足的问题。Remedy entertainment使用了一种称为量子碎片临时重建的技术:原始渲染分辨率为720p,1080p图像是通过提取前4帧构建的。《失眠症游戏》在Ricky和Dingdang的PS4 Pro补丁中使用了另一种叫做“临时注入”的方法:每帧只渲染4K分辨率的一半以上,最终的4K图片将通过每帧像素位置的抖动来合成。

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当然,最著名的是索尼自己的棋盘渲染,也就是棋盘渲染。它的原理类似于失眠游戏。它每次合并一半图像输出4K目标,但它使用了PS4Pro中专门设置的棋盘加速硬件。比PS4的GPU性能略高一倍。不过,这款游戏机号称是4K游戏机。PS4 Pro的信心在于提高游戏的分辨率。

归根到底,无论是哪种算法,其原理都是通过多帧低分辨率信息合成高分辨率图像。它的优点是可以用较弱的GPU输出更高分辨率的图像,但缺点是当图像快速移动时,会产生上一帧的残留阴影。

当英伟达将“光线追逐”引入电脑游戏时,同样的问题也发生了。电脑播放器过去总是尽可能多地吃食物。他们不喜欢这种“作弊”决议。但他们别无选择,只能通过“光跟踪”来降低GPU的性能。作为全球顶尖的人工智能公司,英伟达推出了DLSS(深度学习超级采样)。

与其他利用过去信息“填空”的方案相比,DLSS有着更为巧妙和巧妙的步骤。通过人工智能的深度学习训练,图形卡可以直接从低分辨率图像中“猜”出缺失的像素点,从而输出更高分辨率的图像。经过最初的绕道和许多不好的评论,在rtx20系列后期引入的dlss2.0算法得到了很大的改进。最终的结果是,DLSS打开的图像质量几乎超过了原来4K+TAA图像质量,并释放了大量GPU性能来提高帧速率。

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RTX 30系列显卡给我们带来了什么

在最新发布的rtx30系列显卡中,有三种不同的处理核心:SM用于栅格化(即传统游戏渲染),RT核心用于“光线跟踪”处理,张量核心用于AI操作。与20系列显卡相比,这三个核心的性能提高了两倍或更多,这意味着更快的图形渲染、更快的“光跟踪”计算和更快的DLSS——在那之后推动了整个一代半管“光追逐”和AI,两年前,英伟达终于推出了成熟的产品,并完成了游戏图形领域两大问题的解决方案。

在主机方面,虽然使用的GPU来自AMD,但“光跟踪”和AI的解决方案也即将到来:除了GPU更快更强的光栅性能外,硬件加速“光跟踪”已经得到确认,而微软也一再提到,下一代Xbox将具备某种形式的AI分辨率增强功能。相信索尼也会有类似的技术,即使不是人工智能,现有的棋盘方案也是可行的。

对于PC机玩家来说,失去最初的独家“轻追逐”似乎是一种遗憾。然而,正如主机CPU限制开放世界游戏长达7年之久,主机用户终于有了支持“光线追逐”的硬件。对于开发者来说,“轻追”是从少数高端PC机上不管你站在护城河的哪一边,更多的跨平台游戏都会积极支持“轻追”,值得庆贺。

在解决了图像处理性能后,新主机和新显卡遇到了一个新的问题:游戏规模不断扩大,存储和IO(输入输出)性能受到挑战。

游戏中的世界越来越大。游戏文件的容量已经达到150克,下一代的大量3A游戏将达到或超过200克,快速下载和安装这些游戏只是问题的一部分。更大的问题是,将这些文件解压到内存中需要巨大的系统IO性能—有些游戏需要更长的时间来读取磁盘,而有些游戏则使用大量的门和楼梯将地图分成小块—无论是从技术角度还是从游戏设计的角度来看,阅读和解压缩材料的时间逐渐限制了开发人员。

ps5和xsx都配备了高速SSD来取代以前的机械硬盘,其意义远远大于一般消费者对“磁盘读取会更快”的理解,因为io的数十倍随着性能的提高,游戏可以在高速调用硬盘中的材料时它正在运行,开关区域的卡滞和重复加载将不再存在。这将使开发者能够构建一个更大、更无缝的游戏世界,甚至可以在多个大型场景之间反复快速地来回切换。

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同时,通过在退出游戏时将内存文件快速备份到SSD,实际上,在多个游戏之间来回切换也可以瞬间完成。这套内存管理方法在智能手机上得到了广泛的应用,最终来到了游戏领域。

虽然PC用户已经进入SSD时代约十年,但PC机游戏文件加载问题比主机更为复杂:主机采用统一的内存设计,CPU和GPU共享同一个内存池,PC机需要通过CPU对系统内存进行解压,然后传输到GPU视频内存中调用CPUDDR的缺点是处理速度和数据量大。因此,在rtx30系列显卡中,NVIDIA增加了RTX io的新技术。通过与微软directstorage(基本上是PC版Xbox高速存储解决方案)的合作,GPU可以通过PCIe总线直接从SSD访问文件,完全绕过CPU和DDR的性能瓶颈,也实现了下一代主机快速加载和立即延续游戏的特点。

下一代的未来在预料之中

通过CPU和IO的发展,我们可以在世界范围内解放开发者的束缚。通过光线跟踪和人工智能,我们可以使更详细和更真实的图片运行在更高的帧速率。这是历史上第一次新一代PC机和主机硬件在解决问题和解决问题上高度一致。这对开发者和玩家都是好事。只有当开发者不必花时间在某个平台的独特硬件上时,他们才能把更多的精力投入到创造有价值的游戏内容上,而不是专注于协处理器或esram。

虽然在过去的七年里有很多伟大的比赛,但这一代人在技术层面上还是令人失望的。硬件限制了开发者的想象力和游戏的可能性。下一代即将到来,新显卡和主机能否带来创新,请拭目以待。

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