顯卡技術(shù)革命：英偉達(dá)如何用AI撐起未來游戲？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(dá)RTX 40系列GPU帶來的性能提升一直備受關(guān)注。隨著近段時(shí)間相應(yīng)測(cè)評(píng)成績陸續(xù)出爐，相信這個(gè)被稱作“游戲玩家和創(chuàng)作者終極平臺(tái)”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(dāng)之無愧的新晉“卡皇”，論空前的算力、論堆滿的前沿技術(shù)，都做到了全面壓制同行競品：現(xiàn)代游戲性能相較上一代RTX 3090 Ti提升最高達(dá)2倍，光線追蹤游戲性能的提升最高達(dá)4倍。就連次旗艦RTX 4080，也實(shí)現(xiàn)了比上一代旗艦顯卡RTX 3090 Ti更高的性能。用英偉達(dá)創(chuàng)始人兼CEO黃仁勛的話說，以前要花2000美元買到的性能，現(xiàn)在只用900美元就能買到。
有趣的是，這次RTX 40系列GPU實(shí)現(xiàn)性能、性價(jià)比飆漲的核心功臣，是英偉達(dá)近年來引以為傲的人工智能（AI）技術(shù)。以往，AI更多是英偉達(dá)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品線的主角，為何在主攻游戲的消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域也開始凸顯AI的作用？在這背后，英偉達(dá)的雄心宏圖，已經(jīng)透過游戲，布向更廣闊的潛在AI應(yīng)用未來。
01.幀率更高，AI補(bǔ)幀成“殺招”
說起RTX 40系列最惹人注目的技術(shù)上新，AI工具DLSS 3當(dāng)仁不讓。AI在游戲領(lǐng)域的應(yīng)用并不少見，從DeepMind研發(fā)的AlphaGo擊敗世界圍棋冠軍開始，AI陸續(xù)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(zhàn)略游戲。在游戲開發(fā)領(lǐng)域，AI也逐漸承擔(dān)起寫臺(tái)詞劇本、配音、翻譯到生成實(shí)時(shí)3D面部動(dòng)畫等更具創(chuàng)造力的任務(wù)。對(duì)于頂級(jí)游戲大作而言，劇情、系統(tǒng)、關(guān)卡設(shè)計(jì)和視覺效果缺一不可。人們總在追求更高清的畫質(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(dá)一直大力投入研發(fā)的方向，通過引入AI，優(yōu)化PC游戲的各種體驗(yàn)。其中極具開創(chuàng)性的DLSS 3（深度學(xué)習(xí)超級(jí)采樣）技術(shù)，正是拉開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(bǔ)"出清晰圖，即讓AI通過分析低分辨率的當(dāng)前幀和高分辨率的上一幀，預(yù)測(cè)出更高分辨率的當(dāng)前幀大概是什么樣子，然后生成高分辨率圖像，實(shí)現(xiàn)畫質(zhì)提升。畫質(zhì)提升了，但幀率還是個(gè)棘手問題。
如果幀率提不上去，那就相當(dāng)于裸眼看3D畫面PPT切換，視效再震撼，也會(huì)卡頓到令人失去耐心。英偉達(dá)新推出的DLSS 3技術(shù)，便是為了“補(bǔ)幀”而生。DLSS 3直接做到“無中生有”，通過增加開創(chuàng)性的光學(xué)多幀生成技術(shù)，讓AI實(shí)時(shí)“腦補(bǔ)”出全新的完整高質(zhì)量畫面，實(shí)現(xiàn)幀率翻倍。
英偉達(dá)測(cè)試顯示，在《賽博朋克：2077》這款經(jīng)典的現(xiàn)代光線追蹤游戲的overdrive模式、4K分辨率下，開啟光線追蹤時(shí)，如果同時(shí)開啟DLSS 3可使幀率達(dá)到100FPS。
由于DLSS生成幀在GPU上作為后處理執(zhí)行，即便游戲受CPU性能限制，比如《微軟飛行模擬》等物理計(jì)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(xiàn)高達(dá)2倍于CPU可計(jì)算的性能來渲染游戲。
借助這個(gè)技術(shù)，英偉達(dá)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)量改善帶來的震撼視效，一邊因幀數(shù)暴漲而玩得流暢度飛起，玩得更過癮。DLSS 3的“補(bǔ)幀”原理并不復(fù)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創(chuàng)性的研發(fā)成果，還得看英偉達(dá)了。
02.摩爾定律"續(xù)航"不夠，還得AI來接班
應(yīng)對(duì)摩爾定律放緩，英偉達(dá)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(jié)束，晶體管密度增長帶動(dòng)的算力性價(jià)比提升速度早已不及當(dāng)年，工藝是在持續(xù)進(jìn)步，但成本也上漲得多。
▲英偉達(dá)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(jí)到更先進(jìn)的臺(tái)積電4N工藝，但據(jù)黃仁勛透露，這一升級(jí)只帶給RTX 40系列約15%的性能提升，其余的性能提升來自像DLSS 3、Tensor Core、著色器執(zhí)行重排序（SER）這樣的研發(fā)創(chuàng)新。實(shí)現(xiàn)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(xí)超級(jí)分辨率（也就是之前的DLSS 2）、深度學(xué)習(xí)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(dá)新一代Ada架構(gòu)內(nèi)置的光流加速器是支持實(shí)現(xiàn)DLSS 3的硬件核心之一，它能分析兩幀連續(xù)的游戲圖像，并為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供像素級(jí)幀到幀中物體和元素的運(yùn)動(dòng)方向和速度信息，知道在物體移動(dòng)時(shí)應(yīng)該如何正確地渲染光照和陰影。
另一個(gè)關(guān)鍵的架構(gòu)創(chuàng)新，是Ada架構(gòu)中擅長做矩陣運(yùn)算的Tensor Core，它為加速AI計(jì)算提供了硬件基礎(chǔ)。英偉達(dá)稱RTX 40系顯卡中升級(jí)的第四代Tensor Core，新增了Hopper FP8 Transformer Engine，F(xiàn)P8處理性能高達(dá)1.4Petaflops，超過上一代顯卡的5倍。
DLSS超級(jí)分辨率技術(shù)用AI構(gòu)建分辨率更高的圖像幀。綜合游戲中的一對(duì)超分圖像幀、運(yùn)動(dòng)矢量、光流場(chǎng)信息后，將所有信息輸入到英偉達(dá)已經(jīng)訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AI幀生成器，經(jīng)計(jì)算分析，AI幀生成器便可準(zhǔn)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(jí)分辨率幀相結(jié)合，就能用AI計(jì)算重建連續(xù)兩幀中高達(dá)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面之間。與沒有DLSS相比，DLSS 3能將游戲性能提升4倍。
考慮到插幀會(huì)帶來額外的延遲，英偉達(dá)還引入了Reflex低延遲技術(shù)，通過讓GPU和CPU同步，消除GPU渲染隊(duì)列中的無用幀，來確保最佳響應(yīng)速度。
雖說多幀生成技術(shù)靠“腦補(bǔ)”，并非傳統(tǒng)渲染那樣從建模貼圖到光照信息進(jìn)行一系列的暴力計(jì)算，但因?yàn)橛蠥I這一大殺器，插幀的效果足以亂真。最終，影響游戲體驗(yàn)的三要素：流暢度、響應(yīng)速度、畫質(zhì)，全部得到保證。《逆水寒》《黑神話：悟空》《賽博朋克2077》等超過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(xiàn)更絲滑的補(bǔ)幀效果。
回想最初DLSS推出時(shí)，游戲和應(yīng)用開發(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(dá)還在4月推出了Streamline開源開發(fā)插件，使開發(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)，顯著降低了新技術(shù)集成的難度。應(yīng)用的門檻降低了，就會(huì)有越來越多的游戲開發(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(dá)的另一個(gè)“金字招牌”——硬件加速的實(shí)時(shí)光線追蹤——形成互補(bǔ)，進(jìn)一步拉大英偉達(dá)旗艦級(jí)顯卡在領(lǐng)先性能上與其他顯卡之間的差距。
03.AI超級(jí)采樣+實(shí)時(shí)光追，敲開渲染創(chuàng)新之門
2018年，英偉達(dá)RTX系列的問世，正式開啟了實(shí)時(shí)光線追蹤時(shí)代。光線追蹤是一種圖形渲染技術(shù)，會(huì)模擬計(jì)算環(huán)境中各種光源發(fā)出的光線經(jīng)過反射、折射、陰影和間接照明，最終進(jìn)入人眼時(shí)所呈現(xiàn)的光影效果，具有比傳統(tǒng)光柵化更高、更準(zhǔn)確的視覺保真度，但也擁有更高的計(jì)算開銷，很吃硬件配置。四年過去，像賽博朋克之類的現(xiàn)代游戲?qū)γ總€(gè)像素執(zhí)行超過600次光線追蹤計(jì)算來確定光照，所需計(jì)算量提升高達(dá)16倍，但GPU中負(fù)責(zé)此類計(jì)算的晶體管數(shù)量的提升已經(jīng)跟不上這一速度。正是通過前文所述的，借助AI計(jì)算一部分像素、預(yù)測(cè)大部分像素的策略，英偉達(dá)才做到4年內(nèi)不斷將性能提升以滿足這一計(jì)算需求增長。
截至現(xiàn)在，近三年發(fā)布的光線追蹤游戲已有280余款。雖然如今新推出的各主流顯卡紛紛宣布支持光線追蹤，但絕大多數(shù)游戲依然是混合渲染的模式，光追僅僅用來表現(xiàn)某些場(chǎng)景的光線特效，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追蹤，那么英偉達(dá)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(gòu)引入的實(shí)時(shí)光線追蹤、AI超級(jí)采樣等前沿技術(shù)創(chuàng)新，都是在為完全基于仿真的未來游戲鋪路。回顧歷史，這其實(shí)是英偉達(dá)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(dāng)英偉達(dá)發(fā)明可著色編程GPU時(shí)，GPU應(yīng)用市場(chǎng)還相當(dāng)沉寂；當(dāng)英偉達(dá)創(chuàng)建世界上第一個(gè)3D電子游戲平臺(tái)時(shí)，電子游戲市場(chǎng)很小；當(dāng)英偉達(dá)提出一種新的計(jì)算方法“加速計(jì)算”，并為研發(fā)通用計(jì)算GPU和統(tǒng)一編程軟件CUDA而砸下重金時(shí)，鮮少有人相信它描繪的藍(lán)圖……結(jié)果，歷史一次又一次地驗(yàn)證了黃仁勛對(duì)未來市場(chǎng)趨勢(shì)的準(zhǔn)確判斷和洞察。從游戲顯卡到AI計(jì)算平臺(tái)、元宇宙平臺(tái)，英偉達(dá)一再“破圈”，通過軟硬件結(jié)合的全棧創(chuàng)新，不斷挖掘新的業(yè)務(wù)增長點(diǎn)，為其更長期的市場(chǎng)空間開疆辟土。類似的，在優(yōu)化實(shí)時(shí)光線追蹤體驗(yàn)上，英偉達(dá)也在為長遠(yuǎn)地培養(yǎng)生態(tài)優(yōu)勢(shì)謀篇。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，英偉達(dá)在獨(dú)立GPU市場(chǎng)的出貨量占率高達(dá)8成，這使得其游戲GPU的優(yōu)勢(shì)滾雪球般形成正向循環(huán)——其光線追蹤游戲的用戶越多，給出的反饋就越多，對(duì)此類游戲的優(yōu)化就會(huì)更友好，而游戲優(yōu)化體驗(yàn)越好、適用性越廣、兼容和穩(wěn)定性更強(qiáng)，用戶黏性就會(huì)越高。等游戲玩家們習(xí)慣了“AI超級(jí)采樣+實(shí)時(shí)光追”帶來的更有層次感的光影變化和絲滑的高幀率體驗(yàn)，回過頭就很難再接受傳統(tǒng)渲染方式做出的生硬視覺效果了。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”轉(zhuǎn)向“大殺四方”，英偉達(dá)在高端游戲顯卡市場(chǎng)的話語權(quán)也將更加穩(wěn)固。正因如此，黃仁勛才對(duì)RTX 40系列有相當(dāng)高的信心，稱這意味著“實(shí)時(shí)光線追蹤和利用AI生成像素的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)渲染的新時(shí)代已然來臨”。英偉達(dá)也在著力降低開發(fā)光追游戲的門檻，同時(shí)對(duì)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A(yù)I工具RTX Remix，以便將老游戲快速光追化。
開發(fā)者可以用其AI輔助工具來提升紋理、素材的分辨率，或者把材質(zhì)轉(zhuǎn)換為具有精確物理屬性的材質(zhì)，同時(shí)呈現(xiàn)出逼真的光影效果，讓游戲質(zhì)感煥然一新。
隨著更多游戲可以快速通過RTX Remix被“RTX化”，英偉達(dá)所看好的光追游戲市場(chǎng)，有望得到加速開拓。
04.結(jié)語：不要低估英偉達(dá)
“過去十年是AI在算法發(fā)明方面的革命，未來十年是AI應(yīng)用的十年。”在GTC主題演講中，黃仁勛談道，推動(dòng)計(jì)算技術(shù)這枚火箭發(fā)展的引擎是加速計(jì)算，而燃料是AI。十年前，加拿大多倫多大學(xué)Geoffrey Hinton教授的團(tuán)隊(duì)用深度學(xué)習(xí)算法奪魁ImageNet大規(guī)模視覺識(shí)別競賽，由此開始掀起AI普及的狂瀾。而支撐這一突破性進(jìn)展實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)，便是從圖形處理和游戲發(fā)家的英偉達(dá)GPU。今天，英偉達(dá)已經(jīng)成長為AI計(jì)算領(lǐng)域公認(rèn)的“頭號(hào)玩家”，但其所預(yù)見的AI應(yīng)用潛在市場(chǎng)，遠(yuǎn)比當(dāng)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(fù)雜，也就需要更強(qiáng)大的計(jì)算能力，這恰恰是英偉達(dá)技術(shù)及產(chǎn)品所擅長之處。RTX 40系列GPU給AI驅(qū)動(dòng)圖形處理打了個(gè)樣，通過一系列AI能力的加持，為優(yōu)化計(jì)算圖形、改變游戲體驗(yàn)開辟一條新路。長遠(yuǎn)來看，英偉達(dá)在架構(gòu)、設(shè)計(jì)、算法等技術(shù)創(chuàng)新上持續(xù)積淀的全棧優(yōu)勢(shì)，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(dá)站在GPU金字塔尖傲視群雄提供長期的資本。
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