顯卡技術(shù)革命：英偉達如何用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RTX 40系列GPU帶來的性能提升一直備受關(guān)注。隨著近段時間相應(yīng)測評成績陸續(xù)出爐，相信這個被稱作“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2倍，光線追蹤游戲性能的提升最高達4倍。就連次旗艦RTX 4080，也實現(xiàn)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實現(xiàn)性能、性價比飆漲的核心功臣，是英偉達近年來引以為傲的人工智能（AI）技術(shù)。以往，AI更多是英偉達數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品線的主角，為何在主攻游戲的消費級領(lǐng)域也開始凸顯AI的作用？在這背后，英偉達的雄心宏圖，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戰(zhàn)略游戲。在游戲開發(fā)領(lǐng)域，AI也逐漸承擔(dān)起寫臺詞劇本、配音、翻譯到生成實時3D面部動畫等更具創(chuàng)造力的任務(wù)。對于頂級游戲大作而言，劇情、系統(tǒng)、關(guān)卡設(shè)計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、更仿真的場景……這些都是英偉達一直大力投入研發(fā)的方向，通過引入AI，優(yōu)化PC游戲的各種體驗。其中極具開創(chuàng)性的DLSS 3（深度學(xué)習(xí)超級采樣）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"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，實現(xiàn)畫質(zhì)提升。畫質(zhì)提升了，但幀率還是個棘手問題。
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實時“腦補”出全新的完整高質(zhì)量畫面，實現(xiàn)幀率翻倍。
英偉達測試顯示，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，如果同時開啟DLSS 3可使幀率達到100FPS。
由于DLSS生成幀在GPU上作為后處理執(zhí)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景游戲，DLSS 3也能讓RTX 40系列GPU實現(xiàn)高達2倍于CPU可計算的性能來渲染游戲。
借助這個技術(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，還得看英偉達了。
02.摩爾定律"續(xù)航"不夠，還得AI來接班
應(yīng)對摩爾定律放緩，英偉達近年的核心思路可以概括為一個詞：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代已經(jīng)結(jié)束，晶體管密度增長帶動的算力性價比提升速度早已不及當(dāng)年，工藝是在持續(xù)進步，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工藝升級到更先進的臺積電4N工藝，但據(jù)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。實現(xiàn)這些技術(shù)組合的關(guān)鍵杠桿，便是AI。
DLSS 3包括3個組件：深度學(xué)習(xí)超級分辨率（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，英偉達新一代Ada架構(gòu)內(nèi)置的光流加速器是支持實現(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)提供像素級幀到幀中物體和元素的運動方向和速度信息，知道在物體移動時應(yīng)該如何正確地渲染光照和陰影。
另一個關(guān)鍵的架構(gòu)創(chuàng)新，是Ada架構(gòu)中擅長做矩陣運算的Tensor Core，它為加速AI計算提供了硬件基礎(chǔ)。英偉達稱RTX 40系顯卡中升級的第四代Tensor Core，新增了Hopper FP8 Transformer Engine，F(xiàn)P8處理性能高達1.4Petaflops，超過上一代顯卡的5倍。
DLSS超級分辨率技術(shù)用AI構(gòu)建分辨率更高的圖像幀。綜合游戲中的一對超分圖像幀、運動矢量、光流場信息后，將所有信息輸入到英偉達已經(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超級分辨率幀相結(jié)合，就能用AI計算重建連續(xù)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。
考慮到插幀會帶來額外的延遲，英偉達還引入了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”，并非傳統(tǒng)渲染那樣從建模貼圖到光照信息進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(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，實現(xiàn)更絲滑的補幀效果。
回想最初DLSS推出時，游戲和應(yīng)用開發(fā)商的集成速度并不快。為了推進DLSS 3的迅速普及，英偉達還在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)跟英偉達的另一個“金字招牌”——硬件加速的實時光線追蹤——形成互補，進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+實時光追，敲開渲染創(chuàng)新之門
2018年，英偉達RTX系列的問世，正式開啟了實時光線追蹤時代。光線追蹤是一種圖形渲染技術(shù)，會模擬計算環(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，最終進入人眼時所呈現(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€像素執(zhí)行超過600次光線追蹤計算來確定光照，所需計算量提升高達16倍，但GPU中負責(zé)此類計算的晶體管數(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計算一部分像素、預(yù)測大部分像素的策略，英偉達才做到4年內(nèi)不斷將性能提升以滿足這一計算需求增長。
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，那么英偉達為何還要進行如此超前的技術(shù)布局呢？正如黃仁勛所言，Ada架構(gòu)引入的實時光線追蹤、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游戲鋪路。回顧歷史，這其實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(dāng)英偉達發(fā)明可著色編程GPU時，GPU應(yīng)用市場還相當(dāng)沉寂；當(dāng)英偉達創(chuàng)建世界上第一個3D電子游戲平臺時，電子游戲市場很??；當(dāng)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(tǒng)一編程軟件CUDA而砸下重金時，鮮少有人相信它描繪的藍圖……結(jié)果，歷史一次又一次地驗證了黃仁勛對未來市場趨勢的準(zhǔn)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，為其更長期的市場空間開疆辟土。類似的，在優(yōu)化實時光線追蹤體驗上，英偉達也在為長遠地培養(yǎng)生態(tài)優(yōu)勢謀篇。根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)的數(shù)據(jù)，英偉達在獨立GPU市場的出貨量占率高達8成，這使得其游戲GPU的優(yōu)勢滾雪球般形成正向循環(huán)——其光線追蹤游戲的用戶越多，給出的反饋就越多，對此類游戲的優(yōu)化就會更友好，而游戲優(yōu)化體驗越好、適用性越廣、兼容和穩(wěn)定性更強，用戶黏性就會越高。等游戲玩家們習(xí)慣了“AI超級采樣+實時光追”帶來的更有層次感的光影變化和絲滑的高幀率體驗，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。屆時實時光追技術(shù)在游戲領(lǐng)域的地位將從“聊勝于無”轉(zhuǎn)向“大殺四方”，英偉達在高端游戲顯卡市場的話語權(quán)也將更加穩(wěn)固。正因如此，黃仁勛才對RTX 40系列有相當(dāng)高的信心，稱這意味著“實時光線追蹤和利用AI生成像素的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)渲染的新時代已然來臨”。英偉達也在著力降低開發(fā)光追游戲的門檻，同時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”，英偉達所看好的光追游戲市場，有望得到加速開拓。
04.結(jié)語：不要低估英偉達
“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?！痹贕TC主題演講中，黃仁勛談道，推動計算技術(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(xí)算法奪魁ImageNet大規(guī)模視覺識別競賽，由此開始掀起AI普及的狂瀾。而支撐這一突破性進展實現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)，便是從圖形處理和游戲發(fā)家的英偉達GPU。今天，英偉達已經(jīng)成長為AI計算領(lǐng)域公認的“頭號玩家”，但其所預(yù)見的AI應(yīng)用潛在市場，遠比當(dāng)前既有市場更為廣闊。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，也就需要更強大的計算能力，這恰恰是英偉達技術(shù)及產(chǎn)品所擅長之處。RTX 40系列GPU給AI驅(qū)動圖形處理打了個樣，通過一系列AI能力的加持，為優(yōu)化計算圖形、改變游戲體驗開辟一條新路。長遠來看，英偉達在架構(gòu)、設(shè)計、算法等技術(shù)創(chuàng)新上持續(xù)積淀的全棧優(yōu)勢，將不斷推動其以更低價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期的資本。
*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個人發(fā)布，僅代表博主個人觀點，如有侵權(quán)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
加入技術(shù)交流群
