<英伟达的新显卡如何影响我们的游戏 > 来源ＩＮＧ 作者：大毒鸡

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　　个人而言：２００２年１１月就可以见到ＰＳ５与ＸＢＯＸ　Ｓ实际游戏效果，是否正如以下文章内容所推测的，随着时间越来越近，无比期待中？


编者按：本文作者「大毒鸡」是一位资深图形硬件从业者。英伟达发布了 RTX30 系列新显卡，这对游戏玩家意味着什么？铺垫了这么多年的光追、DLSS，这次能带来什么翻天覆地的变化？
　　　　长达半年的媒体和厂商之间「谁知道不重要，别让他知道是从我这里知道的」英伟达新显卡爆料大作战终于尘埃落定，黄仁勋从自家厨房里掏出了新一代的 RTX 30 系显卡：加量不加价（甚至相对还减了价），史上最大世代进步，性价比炸裂，全球玩家弹冠相庆，高呼核弹不可战胜之声从塞伦盖地传至乌拉尔山……

欢庆过后，除了对钱包的担忧，新显卡和即将发布的次世代主机究竟对未来五年的游戏意味着什么，是更值得的讨论的。 游戏技术，尤其是 3D 图形在过去一个世代里遇到了怎样的问题，新硬件如何解决这些问题，以及未来可期待的方面是什么？

什么限制了我们玩到更好的游戏

七年前，当 PS4 和 Xbox One 发布时，两大巨人基于之前两个世代的经验（或者说教训），共同选择了 AMD 的 X86 CPU+GPU 定制 SoC 方案。节约成本自然是目的之一，更重要的是创造一个学习成本尽可能低的友善开发环境，免去了痛苦的「吃透主机性能」这一过程。

然而，七年前 AMD 的产品并非如今把 Intel 逼到墙边这般强势。出于整体功耗的考虑，微软和索尼「被迫」选择了 Jaguar 架构下主打低功耗的 CPU 核心，在某些应用场景下，甚至不如上一代主机的 CPU 强劲。这带来了本世代游戏开发者所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人物 AI 大幅受限。

这一问题的显现几乎没有花多少时间，出于开发者对主机 CPU 性能的高估，《刺客信条：大革命》在场景和角色的复杂性上做了系列史上最大的突破，海量的人物 AI 运算导致了主机版的性能暴雷，于是《刺客信条：枭雄》的场景规模和角色数量缩了回去，来保证羸弱的 Jaguar CPU 能顺利运行。

　　七年里，阿猫阿狗都开始做开放世界，但几乎没有一个游戏能有当年《GTA V》让人感慨「时代变了」的进步。换句话说，画面和游戏内容在进步，但在开放世界的规模、精度和复杂性上，这是一个停滞的世代。

正因如此，当 PS5 和 Xbox Series X 确认使用最新的 Zen 2 架构CPU时，所有对游戏技术抱有热情的人都觉得天终于亮了。巨大的 CPU 性能提升意味着更加广阔和充实的开放世界，更加复杂和真实的游戏 AI。《GTA 6》会是什么样？我们无法想象，即使是在 PC 游戏的世界里，面对着长年使用率不足 30% 的 CPU，尽管相比主机有着更高的分辨率、帧速和特效，底层的逻辑还是被陈旧缓慢的 Jaguar 核心套上了枷锁 —— 没有人会放弃主机的一亿用户来专门给 PC 做一个 3A 级别的开放世界大作，只有主机的进步才能带来整个行业的向前。

CPU 的进步值得期待，而今天主要讨论的还是显卡和画面：本世代游戏开发在图像领域最重要的两项技术应用是什么？Post-processing 和 Upscaling。

简单说，后处理（Post-processing）是 GPU 先渲染一帧包含场景内所有物体的图像，然后根据这一帧来添加一系列效果：环境光遮蔽、抗锯齿、高光、阴影、景深、反射……等等。

本世代游戏的一大趋势，相比 PS3 和 Xbox 360 时期的画面，更加追求「电影化」：物体的清晰棱角不再重要，取而代之的是更注重真实感和艺术风格。这就意味着除了渲染原本的图像外，还要使用大量的系统资源来进行一系列后处理效果的计算，照着1080P 分辨率够用来设计的主机 GPU 面临了巨大的挑战。

后处理包括了大大小小几十种常用特效，但归结到一句话就是「模拟光源射出的光线在不同物理材质、物体关系和观察角度作用下产生的视觉效果」，于是在护城河这边，PC 世界的人们开始思考：「既然我们要追求光影的真实性，那我们直接去计算每一道光线的路径不就好了？」

于是，「光追」来了

「光线追踪」不是什么新概念，讨论如何利用计算机硬件来进行真实光照模拟的论文已经存在了几十年，2000 年代早期开始也有不少的 CG 电影转向全面的光线追踪渲染 —— 但那些都是在大型的渲染农场里，以几秒钟甚至更久才能完成一帧的速度离线渲染而来。在实时的游戏画面中进行光线追踪是字面意义上的科学幻想，至少在 RTX 诞生之前。

两年前，PC 游戏市场来到历史高点，加密货币挖矿带来一波又一波的行情，竞争对手 AMD 在中高端毫无竞争力，英伟达觉得是时候可以玩一次胆大的了。整个 RTX 20 系列的显卡简直就是逼着用户来帮老黄吃第一只螃蟹 —— 强硬地塞给市场一个新产品，来满足一个没有人意识其存在的需求。在非「光追」游戏上不明显的性能提升，加上少到令人发笑的支持「光追」的游戏阵容，几乎是让玩家为一个 99% 时间在挂机的新功能掏钱。

但星星之火终究可以燎原，尽管被迫出了不带「光追」的 GTX 显卡来补贴家用，又来来回回展示刀法只为了点对点盯防 AMD 的 56 和 57 系列显卡，在 RTX 加持下的《控制》和《地铁》画质都到达了传统硬件无法企及的高度，RTX 版《我的世界》更是颠覆认知级的「杀手级应用」—— 在 PS5、Xbox 以及 AMD 即将发布的 Big Navi 都确认支持硬件「光追」的今天，英伟达无疑又赢下了一次豪赌，将「光追」确定为游戏光影效果的发展方向。


　　从「曲线救国」到「围魏救赵」

在 GPU 性能被后处理不断压榨时，大量的游戏开始无法以 1080P 的原生分辨率在主机上运行，于是诞生了另一个技术：分辨率提升（upscaling）。

PS4 和 Xbox One 在设计之初就预见到了会有一些游戏在性能上遇到麻烦，于是都内置了专门的图像放大功能，但问题在于它们真就只是「放大」，当原生分辨率在 900P 以下时，通过这种直接放大的图像惨不忍睹。

「雪上加霜」的是，4K 电视机的全球出货比例从 13 年的不足 1%，仅仅四年就到了 70% 以上，4K 主机的升级刻不容缓。然而游戏机毕竟是游戏机，真敢往天价卖的人怕是没听过久多良木老爷是怎么退的休，两家的 4K 主机性能都算不上出色，PS4 Pro 更是仅仅比 PS4 翻了 2.5 倍 —— 以 2.5 倍的 GPU 性能去渲染 1080P 四倍的分辨率，不用是小天才也知道根本没戏。

为了避免满屏狗牙的惨状，不少重视技术的公司开始尝试绕过主机的放大，而在游戏引擎中解决原生分辨率不足的问题。Remedy Entertainment 在《量子破碎》中采用了名为 Temporal Reconstruction 的技术：原始渲染分辨率为 720P，通过抽取前四帧画面来构建 1080P 画面进行输出。Insomniac Games 在《瑞奇与叮当》的 PS4 Pro 补丁中用了另一种名为 Temporal Injection 方式：每帧只渲染将将比 4K 分辨率一半略多的像素，通过每一帧像素位置的抖动来合成最终的 4K 画面。

　　　　当然最著名的还是索尼自己力推的 CheckerBoard Rendering 也就是棋盘格渲染了，原理和 Insomniac Games 类似，都是通过每次渲染一半的画面来合二为一输出 4K 的目标，但用到了 PS4 Pro 里专门设置的棋盘格加速硬件。PS4 Pro 的 GPU 性能仅为 PS4 的两倍略多，却自称 4K 游戏主机，底气就是这一套分辨率提升的技俩。

说到底，无论是哪种算法，原理都是通过多帧低分辨率的信息合成更高分辨率画面，优势是能够利用较弱的 GPU 输出更高分辨率的画面，而弱点就是在画面快速运动时会产生拖影 —— 前一帧画面的残留。

当英伟达把「光追」引入 PC 游戏时，同样的问题也出现了。原本 PC 玩家都是有多大碗吃多少饭，相当不齿这类「骗」来的分辨率，但无奈「光追」对于 GPU 的性能损耗太大，出现了游戏一开「光追」就变幻灯片的盛景，于是英伟达作为全球顶尖的人工智能公司，掏出了 DLSS（Deep learning super sampling，深度学习超取样）。

相比其他以过往信息进行「填空」的方案，DLSS 多了一步「无中生有」的奇技瘾巧 —— 通过人工智能深度学习的训练，让显卡可以直接从低分辨率画面来「猜」出遗失的像素，从而输出更高分辨率的画面。经过初期的一段弯路和如潮恶评之后，在 RTX 20 系晚期推出的 DLSS 2.0 算法得到了极大的完善，最终的结果就是在《死亡搁浅》中 DLSS 开启的画面几乎超越原生 4K+TAA 的画质，同时释放出大量的 GPU 性能来提升帧率。

　　　RTX 30 系显卡给我们带来了什么

在刚刚发布 RTX 30 系列显卡中，有着三块不同的处理核心：进行光栅化（即传统游戏渲染）的 SM，进行「光追」处理的 RT Core，和进行 AI 运算的 Tensor Core。这三个核心相比 20 系显卡均有着两倍或更高的性能提升，这意味着更快的图形渲染，更快的「光追」计算，和更快的 DLSS —— 在强推整整一代半吊子「光追」和 AI 之后，英伟达终于拿出了成熟的产品，完成了自己在两年之前面对游戏图形领域两大难题提出的解法。

而在主机中，尽管使用的 GPU 来自 AMD，但「光追」+ AI 的解决方案同样即将来临：在更快更强的 GPU 光栅化性能之外，硬件加速「光追」已被确认，而微软也多次提及下一代 Xbox 将具备某种形式的 AI 分辨率提升功能，相信索尼也会有类似的技术 —— 即使没有 AI，现有的棋盘格方案继续优化下去也完全可行。

对于 PC 玩家来说，失去了原本独占的「光追」看上去似乎是个憾事，但跟主机 CPU 限制了开放世界游戏长达七年一样，主机用户终于有了支持「光追」的硬件，对于开发者来说「光追」从少量高端 PC 的需求变成了广阔的市场，无论你在护城河的哪一边，更多跨平台游戏会积极地支持「光追」都是一件值得庆祝的事。

在解决了图像处理性能之后，新主机和新显卡都遇见到了一个新的问题：游戏的规模在扩张，存储及 IO（输入输出）性能受到挑战。

游戏中的世界越来越大，游戏文件的体积已经来到了动辄 150G 起步的年代，下一世代大量的 3A 游戏将达到或超过 200G。快速的下载和安装这些游戏只是问题的一部分，更大的问题是解压这些文件到内存中的需要巨大的系统 IO 性能 —— 一些游戏的读盘时间越来越久，另一些游戏则用大量的门和楼梯将地图分割成小块 ——无论是从技术的角度，还是游戏设计的角度，素材读取解压时间开始逐渐束缚开发者的手脚。

PS5 和 XSX 都配备了高速 SSD 替代此前的机械硬盘，其意义远大于一般消费者理解的「读盘会变快」，因为几十倍以上的 IO 性能提升，能让游戏在运行时高速调用硬盘中的素材，切换区域的卡顿和反复载入都将不复存在，这将允许开发者搭建更大、更无缝的游戏世界，乃至于在多个大规模场景之间反复快速往返也成为可能。

　　同时，通过在退出游戏时将内存文件快速备份到 SSD 的方式，其实在多个游戏间来回切换也能瞬间完成 —— 这一套内存管理的方式在智能手机上早已广泛运用，终于来到了游戏领域。

尽管 PC 用户全面进入 SSD 时代已经十年左右，但游戏文件加载的问题在 PC 上比主机更加复杂：主机使用的是统一内存设计，CPU 和 GPU 共用一个内存池，而 PC 需要通过 CPU 解压到系统内存，再传输到 GPU 显存才能进行调用 —— CPU 和 DDR 内存在处理大批量数据时的速度劣势成为了瓶颈。因此在 RTX 30 系显卡中，英伟达加入了 RTX IO 这一新技术，通过和微软 DirectStorage（基本就是 Xbox 高速存储方案的 PC 版）的合作，可以让 GPU 直接通过 PCIE 总线从 SSD 中直接调取文件，彻底绕过了 CPU 和 DDR 的性能瓶颈，同样做到了次世代主机快速载入和立即继续游戏的特性。

新的次世代未来可期

通过 CPU 和 IO 的进化，解放开发者在世界规模上的枷锁，再通过光线追踪和 AI，让更加精细真实的画面可以在更高的帧率上运行，这是历史上第一次，新世代 PC 和主机硬件，在尝试解决的问题和解决问题的方式上，高度的一致。这对开发者和玩家来说都是个好事，只有当开发者不用为了某一个平台的独有硬件花时间了，才能把更多的精力用到创造有价值的游戏内容上，而不是埋头去死磕协处理器或是 ESRAM。

尽管过去的七年出现了很多伟大的游戏，但在技术层面上这一世代是令人失望的。硬件限制了开发者的想象力，也限制游戏的可能性。次世代即将降临，新的显卡和主机能带来的革新，请拭目以待。