顯卡架構與游戲　硬幣正反面的抉擇

葬月飄零

①早期3D經典游戲，缺乏3D特效使其看起來如此粗糙

除了游戲廠商之外，顯卡廠商也是游戲畫面質量提升的重要推手，兩者更是互相制約、互相推動。顯卡架構的每—次升級迭代都能夠為玩家帶來畫面上的新驚喜，而一些“顯卡殺手”級的游戲以及其中使用的華麗特效，又在召喚著顯卡能力的提升。那么顯卡架構與游戲究竟是一種什么樣的關系？為什么每一次顯卡新構架的出現都能帶來畫面表現力的極大提升？顯卡的架構對游戲的畫面質量、速度究竟有多大影響？是不是只有最新的顯卡才是選購的最佳目標？這就是我們今天要討論的內容。

顯卡架構與迭代的意義

T999年英偉達（NVIDIA）公司發布了GeForce 256圖形處理芯片（圖2），該芯片的發布意味著顯卡GPU概念的首次出現。在此之前的所謂顯卡芯片僅僅具有貼圖紋理與像素填充等簡單功能，大量3D相關計算都是CPU完成的。而更早的顯卡甚至只是顯示器的適配器，其最大意義還是在顯示器上顯示2D圖形，談不上什么“架構”，所以這里就不深入說明了。下文中提到的顯卡、GPU等，均是GeForce 256及之后的相關產品。

②GeForce 256的出現催生了顯卡架構的概念

GeForce 256圖形處理芯片采用了硬件T&L（ Transform and Lighting，圖形坐標轉換與光源處理）技術。圖形坐標轉換對模型坐標點相關內容進行計算，而光源映像運算則要對固定光源切入的角度、攝像機觀察角度等變量進行陰影以及反光面、光源變化等的相關運算（圖3）。這兩種計算互相配合，就能呈現出在不同觀察角度下，受到不同光源方向照射到形狀各異的3D模型后的樣子。加上對貼圖計算的立方環境材質貼圖和頂點混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖等技術，再配合上更精細的紋理和貼圖，就能夠呈現出質量更高、更真實的畫面。

③有了光源、陰影等技術的游戲畫面

上述幾個關鍵技術及其對硬件調用的協同運作方式就是GPU架構的概念。舉個簡單形象化的例子來理解就是把GPU比作一家公司，這家名為GPU的公司要正常運轉起來需要設立哪些部門？這些部門分別做什么工作？各部門之間如何協同起來？這整個的運作規則就是GPU的架構。需要注意的是，這個公司剛剛建立，就從CPU“公司”接管了不少工作，比如前面提到的T&L計算，而從CPU不斷接管圖形處理的相關工作，也是GPU發展的一大趨勢。

時間繼續推進，隨著DX新版本的迭代，渲染流水線的概念出現了，它是顯示芯片中相互獨立且并行的圖形處理單元。一條完整的渲染流水線由像素著色單元（Pixel Shader Unit，PSU）、材質繪制單元（Texture mappingunit，TMU）、光柵化操作單元（RasterOperations Units，ROPs）三部分組成。像素著色單元和材質繪制單元確定和處理畫面中的一個個點/面的色彩，ROPs則將其綜合形成完整的圖像。

2002年，隨著微軟DX9的發布，T&L被拋棄，同時引入了全新的頂點著色（VertexShader，VS）技術。它允許開發者通過軟件指令的方式來為3D物體每一個頂點的更多種變量進行自由定義，如某個3D多邊形每—頂點的X、y、z坐標的顏色、初始路徑、光照等均可自由定義。由于可以對頂點進行各項變量的定義，開發者可以更簡單、更方便地構建更真實的3D物體，實現圖像的各種高級視覺效果，如水波、復雜地形等（圖4）。這—方面提升了生成畫面的表現力與畫質，另—方面也提高了硬件使用效率。

④顧名思義，頂點著色器善于處理有大量頂點的圖像

DXTO的時代開始后，流處理器（StreamProcessors，SP）的概念出現（圖5）。流處理器是直接將多媒體圖形數據流映射到流處理器上進行處理。簡單來說，DXlO將定點著色和像素著色合并成一個統一渲染（UnifiedShader，US）單元。圖形數據被分解成并行的分組數據，這些數據交給流處理器進行處理，再轉換組合為整幅畫面的視頻信號，傳送至顯示器顯示出來。這種通過大量（數百至數千個）流處理器對畫面數據進行并行處理的方式極大地提升了圖形的運算與傳輸效率，畫面流暢性也有很大的提升，今天顯卡的架構仍然是基于這一模式的各種改進。

⑤DirectX10推出的流處理器概念延續至今，也讓Di rectX徹底確立了在3D處理中的地位

小提示

從這段描述中大家應該也會發現，所謂的顯卡架構大多數情況下實際上就是GPU架構，而即使外部的顯存等有一些變化，也可以看作是GPU架構的外延。但由于目前大家都更習慣于說“顯卡架構”而非“GPU架構”，所以下面我們就繼續使用這個名稱。

2006年11月，英偉達發布了業界第一款支持DirectX10構架的GPU——G80。它由8個SM（流處理器）陣列、6組TA（紋理尋址）和6組ROPs組成，整個構架以高速交叉總線直連的方式連接（圖6）。前端處理器將圖像數據指令都處理成適合SM處理器處理的大小，也就是所謂的1D，然后交予1個流處理器處理。像這樣先統一拆分后分配計算的好處是最大限度地利用每一個流處理器，因而不會產生流處理器閑置的情況，提升了運行效率。順便說一句，這與目前CPU的工作方式其實很相似。

⑥G80架構

典型顯卡構架對游戲畫面的影響

顯然，顯卡架構升級的目的就是借助新的工作方式、利用新的處理模塊來更有針對性地提升軟硬件之間互相配合的能力以及整體工作效率，并以此更進一步滿足硬件對圖形的處理應用需求。

要講架構對游戲的影響，此時正值新舊架構交替期的N卡是最好的例子，我們就借此來看看這兩種架構在游戲圖形方面提供了什么樣的新技術。一方面通過簡單對比能夠更加深刻地體會到顯卡架構迭代的意義，另一方面也為糾結于究竟該選擇哪種架構顯卡的讀者提供一些啟示。

相對于Pascal架構的GTXTOXX系列顯卡，基于Turing架構的新一代中高端顯卡如RTX2080 Ti、RTX 2080、RTX 2070等，主要的變化是增加了Tensor Core和RT Core單元，成就了光線追蹤（Ray tracing，RT，以下簡稱光追）和深度學習超采樣（Deep Learning Super-Sampling，DLSS）兩項新技術（圖8）。

小知識

在解釋近期的顯卡架構之前，我們還應該明白顯卡架構命名規則。目前獨立顯卡的兩大流派——N卡和A卡分別指的是使用英偉達和AMD兩大公司GPU的顯卡。兩家公司對于性能的提升有著各自的思路，因此GPU架構設計也略有不同。當然兩家顯卡架構的命名規則也各不相同。AMD GPU架構被稱為GCN（Graphics CoreNext）架構，目前的核心代號均為星座，例如RX系列為Polaris（北極星），高端則為Vega（織女星）。英偉達則以科學家的名字來命名顯卡架構/核心，如Kepler（開普勒）、Maxwell（麥克斯韋），以及現在仍在售的Pascal（帕斯卡）、最新的Turing（圖靈）等（圖7）。

⑦N卡歷代顯卡架構命名

更有趣的是，基于Turing架構的顯卡中，面向主流的產品放棄了TensorCore和RT Core單元，形成了GTX 16XX系列顯卡。它們沒有重要的額外畫質優化，可以用來了解新架構在同等畫面條件下到底有什么優勢。

光追技術和畫面特色

先說中高端顯卡和新增畫面特效。光追的原理是向成像平面上的像素發射光線，追蹤這條光照路線并找到阻擋光線傳播的其他物體。如果交點表面為散射面，那么就計算光源直接照射該點產生的顏色，如果為鏡面或折射面，那么繼續向反射或折射方向跟蹤另一條光線。如此往復循環，直到光線離開場景為止。這一技術能更加真實地呈現出現實中復雜光影交織后的景象。給畫面的光影視覺效果帶來極大的提升。借助工作集群，光追早已在電影工業中得到了廣泛應用，如“復聯”系列電影的一些場景就是通過龐大的工作站集群一幀一幀地進行光追計算所呈現出來的。借助RTX20XX系列顯卡，玩家們也能夠享受到光追技術呈現出的更加真實的光影效果了。

不過也可以想見，在比較“自然”的場景中擁有多達數百萬個多邊形，大量的不規則反光物體和大量光線所需的光追計算量極大。很顯然，將這樣大的計算量變成現實，不能僅靠提升計算能力，必須進行優化和簡化，目前估計Turing架構的光追單元實際上就是內置了大量形狀和材質的表面反射數據，可根據情況直接調用而無需進行復雜計算（圖9）。

更智能的抗鋸齒

我們應該都有這樣的電腦使用經驗：將高分辨率的圖像縮得越小感覺就越清晰，DLSS正是使用這種方法提高圖像質量的技術。簡單來說，DLSS技術是從低分辨率圖像生成高分辨率圖像，然后再將高分辨率圖像縮回一點并輸出為中等分辨率圖像，也就是SSAA（超采樣圖像抗鋸齒）圖像，可以讓玩家看到的圖像更顯清晰。但這樣同樣要有巨大的運算量為基礎才行，加上光追等光影、畫質技術，GPU的運算能力和運算速度很可能不足以勝任，英偉達通過深度學習來解決這一問題。與游戲開發商溝通后，英偉達通過大量的訓練，增加生成高分辨率畫面的效率，通過自家的深度學習工作集群成功建立智能模型后，再將這個模型發放到用戶的顯卡上，這樣用戶的顯卡可以使用這個有針對性的模型對圖形計算過程進行簡化與優化，以此來提升圖形與光影的運算效率，使得單張顯卡就能夠勝任如此龐大的運算量（圖10）。

⑩超采樣圖像抗鋸齒工作原理

光追不是全部

那么，是否必須要追求最新的顯卡架構呢？同樣用RTX顯卡的能力來說明。雖然Turing架構顯卡已經發布了9個月以上，但目前對光追支持的游戲作品數量少得可憐，20T8年8月德國科隆游戲展上，英偉達首發Turing架構RTX系顯卡時公布的支持光追的游戲僅有《戰地5》、《古墓麗影：暗影》、《地鐵：逃離》三款，到目前為止，宣布支持光追的游戲不少，但真正上市、能展現光追技術的游戲數量卻仍然屈指可數，有全球影響力的則仍然是這三款。

其次，作為一個新的光影技術，光追還有很大的優化和提升空間，RTX顯卡啟動光追功能后游戲幀速下降非常明顯。例如在運用光追最復雜的游戲《地鐵：離去》中，所有光照以及其產生的陰影均為光追技術實時計算，高畫面設置+高光追效果會讓RTX的游戲幀速下降40%甚至50%以上，使用RTX2080時108幀/秒的速度尚可，但在RTX2060上卻從百幀以上驟降為68幀/秒，幾乎要落到“流暢”幀速以下（圖11）。

⑾開光追的《地鐵：離去》幀數在中端顯卡中的表現不盡如人意

可以看到，光追技術在高端、旗艦級顯卡上表現是可以的，但是在中端、主流顯卡中卻只能說是勉強可用，雖然未來通過硬件與游戲引擎的磨合，光追技術在游戲中的綜合表現應該會更好，但目前很難下放到中端以下顯卡中卻是不爭的事實。這也是為什么如今Pascal架構GTX 1OXX還占據市場主流，取消光追技術的GTX16XX顯卡則成為玩家追捧的“甜點”。而且這些顯卡在不開啟光追功能的時候，性能相當感人，與同等級RTX顯卡差距并不大。

類似光追技術的架構升級并不少見，各代顯卡架構提供的新功能，如毛發處理、表情處理等均有這一問題（圖12），即初代技術普及面較窄，且僅在高端、旗艦級顯卡中比較實用，所以主流玩家追新的意義不大。但是反過來，目前已經可以明確光追技術將是下一代游戲畫面上的技術發展趨勢，如果資金足夠，多花點錢早入手早享受，也是一種選擇。

⑿AMD提出的發絲處理特效TressFX，也曾經只有高端顯卡能降服

至于A卡方面，目前性價比不錯的RX 580/590和即將上市的Navi核心顯卡雖然沒有內置光追模塊，但實際性能、畫質、性價比只要不弱于GTX10XX/16XX顯卡，就仍然有其生命力，完全可以作為主流玩家的游戲利器，再戰數年。

小結

通過本文的簡要介紹，相信讀者們已經大致對顯卡架構這種聽起來很專業的術語有了一定的理性認識了，而且也一定對英偉達最新的Turing架構究竟值不值得現在入坑有了自己的判斷。按需選擇而并非無腦追求高端高價位，以科學的選購原則配合上一些相關的專業知識，就不難選購到最適合自己的顯卡了。