游戲幀數(shù)暴漲&amp;amp;無需讀圖？談?wù)凱S5和RTX3000的黑科技 _幀數(shù)

【PConline雜談】對于游戲玩家來說，最近是一系列重磅消息。新一代游戲機(jī)，無論是PS5還是XboxSX，都已經(jīng)公布了價格，并將在年底上市；在PC領(lǐng)域，老黃也提供了全新的核彈RTX3000系列，性價比高得可怕。這些新的游戲硬件不僅會在性能和價格上帶來驚喜，還會帶來新的技術(shù)，這將徹底改變未來游戲的體驗(yàn) 。

XboxSX和PS5都出現(xiàn)了，但你能說出它們將如何改變游戲嗎？

至于新硬件帶來的游戲技術(shù)，光線追蹤可能是提到最多的一個，可以帶來更逼真的畫面。不過，對于游戲的整體體驗(yàn)來說，可能是另一種技術(shù)，會有更翻天覆地的影響。然而這項(xiàng)技術(shù)卻被很多玩家忽略了。今天就來說說新一代游戲硬件在游戲數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎/O機(jī)制上的創(chuàng)新會給游戲帶來的驚人變化。

現(xiàn)今游戲的大問題：數(shù)據(jù)I/O瓶頸

如果你是一個有一定經(jīng)驗(yàn)的游戲玩家，應(yīng)該不難發(fā)現(xiàn)，游戲多年來一直都有一個大問題。在過去，這可能不是什么大問題，但在過去的十年里，越來越多的游戲擁抱了開放世界，地圖被做得越來越大，花在閱讀上的時間也越來越夸張。有些游戲，也就是在SSD環(huán)境下，依然有足夠的時間讀圖給你泡杯茶，體驗(yàn)相當(dāng)瘋狂。

即使換成SSD，還是需要等很長時間才能看完圖片

這其實(shí)反映了游戲在I/O方面的瓶頸，在傳統(tǒng)的過程中，數(shù)據(jù)存儲在硬盤上，游戲數(shù)據(jù)必須從硬盤讀取到內(nèi)存，然后由CPU分發(fā)，再傳輸?shù)揭曨l內(nèi)存，最后由GPU處理。可以看出，游戲數(shù)據(jù)需要通過硬盤-內(nèi)存-視頻內(nèi)存的冗長鏈路進(jìn)行傳輸，在這些鏈路中還需要依靠CPU調(diào)度，效率不高。

游戲數(shù)據(jù)的傳輸過程，首先通過CPU從硬盤讀取內(nèi)存，然后CPU將數(shù)據(jù)加載到視頻內(nèi)存中交給GPU進(jìn)行渲染

隨著游戲的地圖越來越大，越來越細(xì)致，游戲數(shù)據(jù)I/O的瓶頸越來越突出。這主要在以下幾個方面制約了游戲的表現(xiàn) 。

讀圖。's對自然的第一個影響是閱讀前面提到的圖片。只要地圖足夠大，即使使用SSD，也還是會有明顯的等待時間，所以就不贅述了。

對于像《血源詛咒》這樣的游戲，復(fù)活、通關(guān)和地圖更改都需要冗長的閱讀

讀圖作為一種古老的游戲機(jī)制，已經(jīng)陪伴玩家很久了。但是為什么游戲一定要看圖呢？甚至游戲?yàn)槭裁匆龀刹煌牡燃墸吭谟螒驍?shù)據(jù)I/O瓶頸越來越突出的今天，越來越多的人開始思考這個問題。

場景制作。游戲數(shù)據(jù)的I/O效率不高，使得游戲制作者無法一次調(diào)用太多數(shù)據(jù)來制作理想的巨大場景。

游戲運(yùn)行時，GPU處理的數(shù)據(jù)來自視頻內(nèi)存，視頻內(nèi)存甚至內(nèi)存的容量都比不上硬盤。游戲制作者必須在蝸牛殼里做一個道場，用幾個G數(shù)據(jù)構(gòu)建當(dāng)前畫面的所有游戲場景；否則，需要從硬盤中重新讀取數(shù)據(jù)，以替換當(dāng)前的視頻內(nèi)存和內(nèi)存數(shù)據(jù) 。

這樣一來，游戲場景要么犧牲精細(xì)度，要么縮小尺度，否則就會頻繁讀圖—— 。其實(shí)很多游戲確實(shí)需要經(jīng)常看圖。為了掩蓋閱讀圖片，避免中斷游戲體驗(yàn)，游戲制作者采用了許多巧妙的方法。比如《神秘海域》中，玩家長時間爬山，身后會出現(xiàn)懸崖崩塌等場景。同時，隨著崩潰，舊地圖被刪除，視頻內(nèi)存中的數(shù)據(jù)被清空，下一個場景的數(shù)據(jù)被讀取，而讀取圖片的過程被CG動畫等手段掩蓋。

《神秘海域》系列游戲會使用崩潰、爆炸等。刪除舊地圖并釋放視頻內(nèi)存容量

但無論如何，這只是暫時的解決辦法。受限于有限的視頻內(nèi)存和較低的I/O效率，游戲場景始終難以隨意擴(kuò)展。如今，隨著越來越多的精細(xì)畫面和越來越多的高精度紋理占據(jù)越來越大的容量，游戲場景的制作受到游戲數(shù)據(jù)I/O瓶頸的制約，這一點(diǎn)越來越明顯。很多游戲都做過打洞等很多場景，也就是在——打洞，沒有太多數(shù)據(jù)堆積場景，此時也可以加載下一個大場景的數(shù)據(jù) 。想像超人一樣幾秒鐘飛越幾個城市？抱歉，游戲現(xiàn)在無法完成。

近年來，幀數(shù)上限。,市場上出現(xiàn)了許多高刷新率顯示器，最好的甚至將刷新率堆積到240赫茲。但是不難發(fā)現(xiàn)，即使游戲質(zhì)量降低，很多游戲的幀數(shù)還是達(dá)不到這個水平，此時的GPU占用率其實(shí)并不高，這其實(shí)是游戲數(shù)據(jù)的I/O瓶頸造成的。

CPU頻率已經(jīng)達(dá)到最大值，但GPU還遠(yuǎn)未滿負(fù)荷，幀數(shù)仍然無法運(yùn)行到240以上，部分原因是CPU成為了I/O調(diào)度的瓶頸

如前所述，需要CPU參與游戲數(shù)據(jù)從硬盤到內(nèi)存，最后到視頻內(nèi)存的調(diào)度。高頻調(diào)度數(shù)據(jù)時，CPU成為瓶頸，游戲幀數(shù)無法進(jìn)一步增加。

下一個時代的游戲硬件往往肩負(fù)著引領(lǐng)游戲變革的使命，PS5和RTX3000 AmpereGPUs正是如此。

PS5：獨(dú)有的架構(gòu)打破I/O瓶頸

先說說PS5 。XboxSX和PS5都使用SS

D作為存儲介質(zhì) 。但是，雙方又有所不同，PS5的架構(gòu)更多地為打破游戲I/O的瓶頸而設(shè)計。

根據(jù)當(dāng)前信息，PS5的SSD傳輸速率達(dá)到了5.5 GB/s，但這不是關(guān)鍵。關(guān)鍵在于，PS5的游戲數(shù)據(jù)讀取，和傳統(tǒng)流程是不同的。在PS5的架構(gòu)中，在一定程度上，GPU可以直接向SSD索取所需要的游戲數(shù)據(jù)，這減少了數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的環(huán)節(jié)，效率大為提升。

PS5的SSD速度非常快，但真正的革新在于架構(gòu)

PS5是如何做到這一點(diǎn)的呢？這需要從當(dāng)前游戲的數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)說起。

當(dāng)前游戲的數(shù)據(jù)，是以打包的形式存放在硬盤中的。一張張貼圖、各種紋理的文件，往往會集中打包，當(dāng)游戲需要相應(yīng)數(shù)據(jù)時，才會解包輸送到顯存當(dāng)中，隨后再交給GPU渲染。

某PC游戲中的紋理文件，其實(shí)是一個紋理包，要輸送到顯存解壓

如此一來，顯存就不得不存放大量未必用得到的貼圖紋理數(shù)據(jù)，每次切換新場景都必須歷經(jīng)一次讀包-解包的過程，這在游玩過程中，就體現(xiàn)為讀圖。

為什么游戲數(shù)據(jù)要打包放置？在傳統(tǒng)HDD硬盤中，將零散文件統(tǒng)一打包，有助于減少磁頭尋道，HDD硬盤的性能瓶頸就在于此。將游戲數(shù)據(jù)打包為大文件，可以讓HDD持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，提升性能。

PS4等機(jī)器仍使用HDD，如果紋理不打包分散存儲，那么HDD冗長的尋道時間，會占據(jù)更多讀圖時長

現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了SSD時代，SSD沒有尋道這一概念，對零散文件的讀取速度是HDD的百倍不止，更合理的機(jī)制是GPU需要什么貼圖紋理，就直接讀取什么貼圖紋理。但由于當(dāng)前的游戲主機(jī)PS4、Xbox One依然采用HDD，游戲也只能隨主流適配HDD，因此游戲的做法還是將數(shù)據(jù)打包在一起，這令SSD需要讀取額外的大量數(shù)據(jù)，并沒有發(fā)揮出應(yīng)有特長。大家從HDD換用SSD，感覺到的變化也就是讀圖更快了，但讀圖始終是一道邁不過去的檻。

在PS5中，情況終于得以改變。根據(jù)目前透露的消息，針對PS5開發(fā)的游戲，其貼圖等數(shù)據(jù)不再集中打包，而是分布放置（或是打成更小的包），游戲可以僅僅讀取所需數(shù)據(jù)到顯存，效率大為提升。

PS5的存儲架構(gòu)，GPU能更直接讀取到SSD的數(shù)據(jù)，SSD的主控也提供了解壓紋理包的功能

PS5的獨(dú)到設(shè)計，有兩個好處。

·消滅讀圖的過程。游戲數(shù)據(jù)不再需要統(tǒng)一打包、讀取，可以按需實(shí)時讀取，更加靈活，沒有了統(tǒng)一載入也就是讀圖的過程；

·解除場景規(guī)模限制。前面提到，游戲場景規(guī)模受限，是由于顯存難以承載大場景所需的海量數(shù)據(jù) 。在PS5的新存儲架構(gòu)中，場景所需要的數(shù)據(jù)分散存儲在SSD中，實(shí)際需要的時候才會實(shí)時讀取，這些數(shù)據(jù)再無必要一次性載入顯存，大大減輕了顯存負(fù)擔(dān)，也令更大場景的制作成為了可能。

在PS5中，SSD的作用在某種意義上，更像是顯存

理論上如此，實(shí)際也是如此。索尼早前演示了運(yùn)行中PS5中的《蜘蛛俠》新作，演示中蜘蛛俠在地圖上自由飛蕩過一座座高樓，盡管地圖非常廣闊，但PS5基本不需要讀圖。

PS5中運(yùn)行《蜘蛛俠》Demo，高速在大地圖移動無需讀圖

PS4Pro運(yùn)行同樣的Demo，可以看到頻頻出現(xiàn)讀圖等待

索尼自己的演示信不過？再來看看第三方的演示。Epic之前放出了新一代引擎虛幻5的演示，這段Demo全程運(yùn)行在PS5實(shí)機(jī)上，從中可以看到場景非常遼闊，而且人物可以在場景中高速移動，一氣呵成，毫無讀圖痕跡，非常爽快。

虛幻5引擎的官方演示，運(yùn)行于PS5實(shí)機(jī)上，可以直接跳轉(zhuǎn)到7:50，體會一下無縫大地圖的高速移動

RTX3000“安培”GPU：開創(chuàng)性的RTX IO

改善游戲數(shù)據(jù)讀取流程這一思路，不僅索尼有想到，老黃也意識到了。在最近發(fā)布的RTX3000系列“安培”GPU中，帶來了DirectX Storage的特性，它有望打破PC游戲的I/O瓶頸。

DirectX Storage其實(shí)是微軟推出新DirectX API，而NV在安培GPU中，對其進(jìn)行了支持，推出了RTX IO技術(shù) 。簡單來說，RTX IO可以讓PC游戲的數(shù)據(jù)傳輸繞過CPU，直接傳輸?shù)斤@存供GPU使用，這其實(shí)和PS5的設(shè)計是有相似之處的。

DirectX Storage針對SSD進(jìn)行優(yōu)化，無論是PC還是新一代的Xbox，都會使用這個API

毫無疑問，RTX IO可以大大增加PC游戲數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩鶕?jù)NV給出的數(shù)據(jù)，通過RTX IO，GPU解壓游戲數(shù)據(jù)的性能甚至超過了PCIe Gen4下SSD的傳輸速度。這一方面可以大大減少讀圖時間，另一方面可以突破CPU瓶頸，讓PC游戲的幀數(shù)更加“電競級” 。

前面提到過，很多PC電競游戲，幀數(shù)上不去，其實(shí)不是GPU的問題。通過軟件觀察到，GPU的占用率其實(shí)根本不高，但CPU卻已經(jīng)是滿頻率運(yùn)行，幀數(shù)的瓶頸在于CPU 。CPU調(diào)度的數(shù)據(jù)“喂不飽”GPU？現(xiàn)在RTX IO可以讓游戲數(shù)據(jù)I/O繞開CPU，從根本上解決這問題。如此一來，游戲幀數(shù)就有了更高的上限，在高刷新率屏幕逐漸普及的今天，無論對于職業(yè)電競選手還是普通玩家，這項(xiàng)技術(shù)都意義重大。

當(dāng)前PC游戲幀數(shù)的一個瓶頸，在于I/O系統(tǒng)，游戲數(shù)據(jù)傳輸都需要經(jīng)過CPU，CPU已經(jīng)不堪重負(fù)

RTX IO示意圖，數(shù)據(jù)可以直接從SSD傳輸?shù)斤@存

另外，RTX IO也可以帶來解除場景規(guī)模限制的好處，這和上面PS5文段中所敘述的是類似的，這里就不多作贅述了。

總結(jié)

很多老玩家都感概，近年來游戲畫面，已經(jīng)沒有什么質(zhì)的提升了。現(xiàn)在的大部分游戲的畫面對比的《孤島危機(jī)》，有質(zhì)變的提升么？《孤島危機(jī)》誕生于2007年，用《孤島危機(jī)》對比它五年前也就是2002年的游戲，再用現(xiàn)在的游戲?qū)Ρ染嚯x現(xiàn)在十多年前《孤島危機(jī)》，不能難發(fā)現(xiàn)最近十幾年游戲畫質(zhì)提升之小，是遠(yuǎn)慢于之前的。

大部分游戲畫面對比2007年的《孤島危機(jī)》，并沒有質(zhì)的提升，光線追蹤的普及才能改變這一切

之所以如此，是因?yàn)橛螒虻膱D形技術(shù)，久久未有根本性的革新。PS4、Xbox One這代游戲主機(jī)，將光柵化等圖形技術(shù)發(fā)揮到了一個新高度，然而游戲的渲染流程沒有質(zhì)變。PS3/Xbox360時代開始出現(xiàn)的法線貼圖、環(huán)境光遮蔽、動態(tài)光照、體積光等，當(dāng)今依然是提升游戲畫質(zhì)的法寶。同樣，游戲的渲染流程，也依然停留在從硬盤讀取數(shù)據(jù)包、傳輸?shù)絻?nèi)存顯存解壓，再交由GPU渲染的傳統(tǒng) 。從這個角度來看，其實(shí)PS4、Xbox One是設(shè)計相當(dāng)保守、缺乏開創(chuàng)性的一代游戲主機(jī) 。

在這個世代，轉(zhuǎn)機(jī)終于來了。支持光線追蹤的GPU實(shí)裝在了PS5、Xbox SX等下一代游戲主機(jī)以及PC顯卡中，SSD也成為了游戲硬件的標(biāo)配。游戲全方位發(fā)生質(zhì)變，終于有了前提條件。

【游戲幀數(shù)暴漲&amp;無需讀圖？談?wù)凱S5和RTX3000的黑科技】光線追蹤大大提升了游戲畫面的上限，而游戲數(shù)據(jù)I/O的變革，則可以讓游戲流程天翻地覆。相信隨著新一代游戲硬件的普及，越來越多的玩家會感嘆“原來游戲還可以這么做”，共同期待吧。