顯卡技術(shù)革命：英偉達如何用AI撐起未來(lái)游戲？作者 | ZeR0
編輯 | 漠影
本周三，游戲顯卡的“新天花板”——GeForce RTX 40系列GPU——就要正式上市了。自9月中旬正式發(fā)布后，英偉達RTX 40系列GPU帶來(lái)的性能提升一直備受關(guān)注。隨著(zhù)近段時(shí)間相應測評成績(jì)陸續出爐，相信這個(gè)被稱(chēng)作“游戲玩家和創(chuàng )作者終極平臺”的全新顯卡系列，在性能提升上給很多玩家留下了深刻印象。
刨去圍繞價(jià)格和功耗的爭議，如今RTX 4090已成當之無(wú)愧的新晉“卡皇”，論空前的算力、論堆滿(mǎn)的前沿技術(shù)，都做到了全面壓制同行競品：現代游戲性能相較上一代RTX 3090 Ti提升最高達2倍，光線(xiàn)追蹤游戲性能的提升最高達4倍。就連次旗艦RTX 4080，也實(shí)現了比上一代旗艦顯卡RTX 3090 Ti更高的性能。用英偉達創(chuàng )始人兼CEO黃仁勛的話(huà)說(shuō)，以前要花2000美元買(mǎi)到的性能，現在只用900美元就能買(mǎi)到。
有趣的是，這次RTX 40系列GPU實(shí)現性能、性?xún)r(jià)比飆漲的核心功臣，是英偉達近年來(lái)引以為傲的人工智能（AI）技術(shù)。以往，AI更多是英偉達數據中心產(chǎn)品線(xiàn)的主角，為何在主攻游戲的消費級領(lǐng)域也開(kāi)始凸顯AI的作用？在這背后，英偉達的雄心宏圖，已經(jīng)透過(guò)游戲，布向更廣闊的潛在A(yíng)I應用未來(lái)。
01.幀率更高，AI補幀成“殺招”
說(shuō)起RTX 40系列最惹人注目的技術(shù)上新，AI工具DLSS 3當仁不讓。AI在游戲領(lǐng)域的應用并不少見(jiàn)，從DeepMind研發(fā)的AlphaGo擊敗世界圍棋冠軍開(kāi)始，AI陸續制霸國際象棋、日本將棋、星際爭霸、Dota 2、王者榮耀等棋牌及即時(shí)戰略游戲。在游戲開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，AI也逐漸承擔起寫(xiě)臺詞劇本、配音、翻譯到生成實(shí)時(shí)3D面部動(dòng)畫(huà)等更具創(chuàng )造力的任務(wù)。對于頂級游戲大作而言，劇情、系統、關(guān)卡設計和視覺(jué)效果缺一不可。人們總在追求更高清的畫(huà)質(zhì)、更絲滑的流暢度、更炫酷的特效、更仿真的場(chǎng)景……這些都是英偉達一直大力投入研發(fā)的方向，通過(guò)引入AI，優(yōu)化PC游戲的各種體驗。其中極具開(kāi)創(chuàng )性的DLSS 3（深度學(xué)習超級采樣）技術(shù)，正是拉開(kāi)RTX 40系列與上一代性能差距的重要“殺器”。
上一代DLSS技術(shù)能夠做到從糊圖"腦補"出清晰圖，即讓AI通過(guò)分析低分辨率的當前幀和高分辨率的上一幀，預測出更高分辨率的當前幀大概是什么樣子，然后生成高分辨率圖像，實(shí)現畫(huà)質(zhì)提升。畫(huà)質(zhì)提升了，但幀率還是個(gè)棘手問(wèn)題。
如果幀率提不上去，那就相當于裸眼看3D畫(huà)面PPT切換，視效再震撼，也會(huì )卡頓到令人失去耐心。英偉達新推出的DLSS 3技術(shù)，便是為了“補幀”而生。DLSS 3直接做到“無(wú)中生有”，通過(guò)增加開(kāi)創(chuàng )性的光學(xué)多幀生成技術(shù)，讓AI實(shí)時(shí)“腦補”出全新的完整高質(zhì)量畫(huà)面，實(shí)現幀率翻倍。
英偉達測試顯示，在《賽博朋克：2077》這款經(jīng)典的現代光線(xiàn)追蹤游戲的overdrive模式、4K分辨率下，開(kāi)啟光線(xiàn)追蹤時(shí)，如果同時(shí)開(kāi)啟DLSS 3可使幀率達到100FPS。
由于DLSS生成幀在GPU上作為后處理執行，即便游戲受CPU性能限制，比如《微軟飛行模擬》等物理計算密集型或大型場(chǎng)景游戲，DLSS 3也能讓RTX 40系列GPU實(shí)現高達2倍于CPU可計算的性能來(lái)渲染游戲。
借助這個(gè)技術(shù)，英偉達RTX 40系顯卡能夠撐起大型游戲的渲染需求，讓玩家們一邊享受到圖像質(zhì)量改善帶來(lái)的震撼視效，一邊因幀數暴漲而玩得流暢度飛起，玩得更過(guò)癮。DLSS 3的“補幀”原理并不復雜，但若具體拆解其所涉及的一系列技術(shù)，就不難理解為什么率先做出這樣開(kāi)創(chuàng )性的研發(fā)成果，還得看英偉達了。
02.摩爾定律"續航"不夠，還得AI來(lái)接班
應對摩爾定律放緩，英偉達近年的核心思路可以概括為一個(gè)詞：全棧。按照黃仁勛的說(shuō)法，摩爾定律每一年半以一半成本提供相同性能的時(shí)代已經(jīng)結束，晶體管密度增長(cháng)帶動(dòng)的算力性?xún)r(jià)比提升速度早已不及當年，工藝是在持續進(jìn)步，但成本也上漲得多。
▲英偉達創(chuàng )始人兼CEO黃仁勛
以RTX GPU為例，從RTX 30系列到RTX 40系列，芯片制程工藝從三星8N工藝升級到更先進(jìn)的臺積電4N工藝，但據黃仁勛透露，這一升級只帶給RTX 40系列約15%的性能提升，其余的性能提升來(lái)自像DLSS 3、Tensor Core、著(zhù)色器執行重排序（SER）這樣的研發(fā)創(chuàng )新。實(shí)現這些技術(shù)組合的關(guān)鍵杠桿，便是AI。
DLSS 3包括3個(gè)組件：深度學(xué)習超級分辨率（也就是之前的DLSS 2）、深度學(xué)習幀生成（就是DLSS 3中新加入的插幀）和降低PC延遲的Reflex。其中，英偉達新一代Ada架構內置的光流加速器是支持實(shí)現DLSS 3的硬件核心之一，它能分析兩幀連續的游戲圖像，并為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )提供像素級幀到幀中物體和元素的運動(dòng)方向和速度信息，知道在物體移動(dòng)時(shí)應該如何正確地渲染光照和陰影。
另一個(gè)關(guān)鍵的架構創(chuàng )新，是Ada架構中擅長(cháng)做矩陣運算的Tensor Core，它為加速AI計算提供了硬件基礎。英偉達稱(chēng)RTX 40系顯卡中升級的第四代Tensor Core，新增了Hopper FP8 Transformer Engine，FP8處理性能高達1.4Petaflops，超過(guò)上一代顯卡的5倍。
DLSS超級分辨率技術(shù)用AI構建分辨率更高的圖像幀。綜合游戲中的一對超分圖像幀、運動(dòng)矢量、光流場(chǎng)信息后，將所有信息輸入到英偉達已經(jīng)訓練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )AI幀生成器，經(jīng)計算分析，AI幀生成器便可準確重建幾何圖形和效果，高效渲染生成出全新的高質(zhì)量游戲幀。
將DLSS生成的全新幀與DLSS超級分辨率幀相結合，就能用AI計算重建連續兩幀中高達7/8的像素，生成全新的高分辨率幀，然后將其插入到正常的游戲畫(huà)面之間。與沒(méi)有DLSS相比，DLSS 3能將游戲性能提升4倍。
考慮到插幀會(huì )帶來(lái)額外的延遲，英偉達還引入了Reflex低延遲技術(shù)，通過(guò)讓GPU和CPU同步，消除GPU渲染隊列中的無(wú)用幀，來(lái)確保最佳響應速度。
雖說(shuō)多幀生成技術(shù)靠“腦補”，并非傳統渲染那樣從建模貼圖到光照信息進(jìn)行一系列的暴力計算，但因為有AI這一大殺器，插幀的效果足以亂真。最終，影響游戲體驗的三要素：流暢度、響應速度、畫(huà)質(zhì)，全部得到保證。《逆水寒》《黑神話(huà)：悟空》《賽博朋克2077》等超過(guò)35款游戲已經(jīng)宣布即將支持DLSS 3，可以由RTX 40系列顯卡上的特定硬件加速提供支持，實(shí)現更絲滑的補幀效果。
回想最初DLSS推出時(shí)，游戲和應用開(kāi)發(fā)商的集成速度并不快。為了推進(jìn)DLSS 3的迅速普及，英偉達還在4月推出了Streamline開(kāi)源開(kāi)發(fā)插件，使開(kāi)發(fā)者可以很容易地以模塊化的方式在游戲中添加各種新技術(shù)，顯著(zhù)降低了新技術(shù)集成的難度。應用的門(mén)檻降低了，就會(huì )有越來(lái)越多的游戲開(kāi)發(fā)商選擇迅速擁抱新技術(shù)。可以看到，AI技術(shù)已經(jīng)跟英偉達的另一個(gè)“金字招牌”——硬件加速的實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤——形成互補，進(jìn)一步拉大英偉達旗艦級顯卡在領(lǐng)先性能上與其他顯卡之間的差距。
03.AI超級采樣+實(shí)時(shí)光追，敲開(kāi)渲染創(chuàng )新之門(mén)
2018年，英偉達RTX系列的問(wèn)世，正式開(kāi)啟了實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤時(shí)代。光線(xiàn)追蹤是一種圖形渲染技術(shù)，會(huì )模擬計算環(huán)境中各種光源發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)反射、折射、陰影和間接照明，最終進(jìn)入人眼時(shí)所呈現的光影效果，具有比傳統光柵化更高、更準確的視覺(jué)保真度，但也擁有更高的計算開(kāi)銷(xiāo)，很吃硬件配置。四年過(guò)去，像賽博朋克之類(lèi)的現代游戲對每個(gè)像素執行超過(guò)600次光線(xiàn)追蹤計算來(lái)確定光照，所需計算量提升高達16倍，但GPU中負責此類(lèi)計算的晶體管數量的提升已經(jīng)跟不上這一速度。正是通過(guò)前文所述的，借助AI計算一部分像素、預測大部分像素的策略，英偉達才做到4年內不斷將性能提升以滿(mǎn)足這一計算需求增長(cháng)。
截至現在，近三年發(fā)布的光線(xiàn)追蹤游戲已有280余款。雖然如今新推出的各主流顯卡紛紛宣布支持光線(xiàn)追蹤，但絕大多數游戲依然是混合渲染的模式，光追僅僅用來(lái)表現某些場(chǎng)景的光線(xiàn)特效，整體效果依然有非常大的提升空間。既然游戲中并不是完全的光線(xiàn)追蹤，那么英偉達為何還要進(jìn)行如此超前的技術(shù)布局呢？正如黃仁勛所言，Ada架構引入的實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤、AI超級采樣等前沿技術(shù)創(chuàng )新，都是在為完全基于仿真的未來(lái)游戲鋪路。回顧歷史，這其實(shí)是英偉達一貫的行事風(fēng)格——如果需求尚不存在，那就去創(chuàng )造需求。當英偉達發(fā)明可著(zhù)色編程GPU時(shí)，GPU應用市場(chǎng)還相當沉寂；當英偉達創(chuàng )建世界上第一個(gè)3D電子游戲平臺時(shí)，電子游戲市場(chǎng)很??；當英偉達提出一種新的計算方法“加速計算”，并為研發(fā)通用計算GPU和統一編程軟件CUDA而砸下重金時(shí)，鮮少有人相信它描繪的藍圖……結果，歷史一次又一次地驗證了黃仁勛對未來(lái)市場(chǎng)趨勢的準確判斷和洞察。從游戲顯卡到AI計算平臺、元宇宙平臺，英偉達一再“破圈”，通過(guò)軟硬件結合的全棧創(chuàng )新，不斷挖掘新的業(yè)務(wù)增長(cháng)點(diǎn)，為其更長(cháng)期的市場(chǎng)空間開(kāi)疆辟土。類(lèi)似的，在優(yōu)化實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤體驗上，英偉達也在為長(cháng)遠地培養生態(tài)優(yōu)勢謀篇。根據市場(chǎng)調研機構的數據，英偉達在獨立GPU市場(chǎng)的出貨量占率高達8成，這使得其游戲GPU的優(yōu)勢滾雪球般形成正向循環(huán)——其光線(xiàn)追蹤游戲的用戶(hù)越多，給出的反饋就越多，對此類(lèi)游戲的優(yōu)化就會(huì )更友好，而游戲優(yōu)化體驗越好、適用性越廣、兼容和穩定性更強，用戶(hù)黏性就會(huì )越高。等游戲玩家們習慣了“AI超級采樣+實(shí)時(shí)光追”帶來(lái)的更有層次感的光影變化和絲滑的高幀率體驗，回過(guò)頭就很難再接受傳統渲染方式做出的生硬視覺(jué)效果了。屆時(shí)實(shí)時(shí)光追技術(shù)在游戲領(lǐng)域的地位將從“聊勝于無(wú)”轉向“大殺四方”，英偉達在高端游戲顯卡市場(chǎng)的話(huà)語(yǔ)權也將更加穩固。正因如此，黃仁勛才對RTX 40系列有相當高的信心，稱(chēng)這意味著(zhù)“實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤和利用AI生成像素的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )渲染的新時(shí)代已然來(lái)臨”。英偉達也在著(zhù)力降低開(kāi)發(fā)光追游戲的門(mén)檻，同時(shí)對那些受人歡迎的老游戲，提供了RTX化的可能。比如它為游戲MOD打造了一款AI工具RTX Remix，以便將老游戲快速光追化。
開(kāi)發(fā)者可以用其AI輔助工具來(lái)提升紋理、素材的分辨率，或者把材質(zhì)轉換為具有精確物理屬性的材質(zhì)，同時(shí)呈現出逼真的光影效果，讓游戲質(zhì)感煥然一新。
隨著(zhù)更多游戲可以快速通過(guò)RTX Remix被“RTX化”，英偉達所看好的光追游戲市場(chǎng)，有望得到加速開(kāi)拓。
04.結語(yǔ)：不要低估英偉達
“過(guò)去十年是AI在算法發(fā)明方面的革命，未來(lái)十年是AI應用的十年?！痹贕TC主題演講中，黃仁勛談道，推動(dòng)計算技術(shù)這枚火箭發(fā)展的引擎是加速計算，而燃料是AI。十年前，加拿大多倫多大學(xué)Geoffrey Hinton教授的團隊用深度學(xué)習算法奪魁ImageNet大規模視覺(jué)識別競賽，由此開(kāi)始掀起AI普及的狂瀾。而支撐這一突破性進(jìn)展實(shí)現的硬件基礎，便是從圖形處理和游戲發(fā)家的英偉達GPU。今天，英偉達已經(jīng)成長(cháng)為AI計算領(lǐng)域公認的“頭號玩家”，但其所預見(jiàn)的AI應用潛在市場(chǎng)，遠比當前既有市場(chǎng)更為廣闊。從3D游戲到元宇宙世界，AI有太多能大展拳腳的地方，AI任務(wù)愈發(fā)復雜，也就需要更強大的計算能力，這恰恰是英偉達技術(shù)及產(chǎn)品所擅長(cháng)之處。RTX 40系列GPU給AI驅動(dòng)圖形處理打了個(gè)樣，通過(guò)一系列AI能力的加持，為優(yōu)化計算圖形、改變游戲體驗開(kāi)辟一條新路。長(cháng)遠來(lái)看，英偉達在架構、設計、算法等技術(shù)創(chuàng )新上持續積淀的全棧優(yōu)勢，將不斷推動(dòng)其以更低價(jià)格提供更高游戲性能，并為英偉達站在GPU金字塔尖傲視群雄提供長(cháng)期的資本。
*博客內容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀(guān)點(diǎn)，如有侵權請聯(lián)系工作人員刪除。
全息投影相關(guān)文章:全息投影原理
