遊戲幀數暴漲&無需讀圖？談談PS5和RTX3000的黑科技
[PConline 雜談]對於遊戲玩家來説，最近可謂是重磅消息連連。新一代遊戲主機無論是PS5還是Xbox SX，都公佈了售價，即將在年底開售；而在PC領域老黃也祭出了新核彈RTX3000系列，性價比高得嚇人。這些全新的遊戲硬件，除了在性能和價格方面帶來驚喜，它們所帶來的全新技術，也會徹底改變未來遊戲的體驗。
關於新硬件帶來的遊戲技術，大家提及最多的可能就是光線追蹤，它可以帶來更加逼真的畫面。不過對於遊戲整體的體驗，可能卻是另一方面的技術，會產生更加翻天覆地的影響。而這方面技術，卻被很多玩家所忽視。今天，就來談談新一代遊戲硬件，在遊戲數據傳輸I/O機制上的革新，會為遊戲帶來怎樣驚人的變化吧。
現今遊戲的大問題：數據I/O瓶頸
如果你是一名有一定閲歷的遊戲玩家，應該都不難發現，多年來遊戲始終存在一個尾大不掉的問題——需要讀圖。在以往，這可能不是什麼大問題，但在近十年來越來越多遊戲擁抱開放世界，地圖做得越來越大，讀圖的時間愈發誇張。某些遊戲即在SSD的環境下，讀圖時間仍然足夠你去泡杯茶，體驗相當抓狂。
這其實就體現出了遊戲在I/O方面的瓶頸。在傳統的流程中，數據存儲在硬盤上，玩遊戲數據得先從硬盤讀取到內存，然後經由CPU分配，再傳輸到顯存中，最後由GPU來進行處理。可見，遊戲數據是需要經由硬盤-內存-顯存這個冗長的傳輸環節的，而且在這些環節當中還需要依賴CPU的調度，這並不高效。
隨着遊戲的地圖越來越大、畫面越來越精細，遊戲數據I/O方面的瓶頸愈發凸顯。這主要制約了遊戲在以下方面的表現。
·讀圖。首先影響的自然是前面提到過的讀圖。只要地圖足夠大，就算用上了SSD，仍會有明顯的等待時間，這點就不多贅述了。
作為一個古老的遊戲機制，讀圖伴隨玩家已久。但為何遊戲必須要讀圖？甚至遊戲為什麼要做成不同的關卡？在遊戲數據I/O瓶頸愈發突出的今天，越來越多人開始思考這個問題。
·場景製作。遊戲數據的I/O效率不高，導致遊戲製作者沒辦法一次性調用太多的數據，去製作理想中的龐大場景。
遊戲運行時，GPU所處理的數據來自於顯存，顯存乃至內存的容量和硬盤不可同日而語。遊戲製作者必須在螺螄殼裏做道場，用幾個G的數據，來構建當前畫面所有的遊戲場景；否則，數據就需要重新從硬盤讀取，替換當前顯存和內存的數據。
如此一來，遊戲場景要麼犧牲精細度，要麼縮減規模，不然就會頻頻讀圖——實際上很多遊戲也的確需要頻頻讀圖。為了掩飾讀圖、避免遊戲體驗中斷，遊戲製作者採用了很多巧妙的方法，例如《神秘海域》中，當玩家爬山爬了一段後，背後會發生懸崖崩落之類的情節，緊張刺激的同時，隨着崩落，舊的地圖也被刪掉了，顯存中的數據得到了清空，開始讀取下一個場景的數據，而讀圖過程則被CG動畫播片等手段掩飾。
但無論如何，這也只是權宜之策。受限於容量有限的顯存、低下的I/O效率，遊戲場景始終難以隨心所欲地擴張。在畫面越來越精細、高精度貼圖紋理佔據越來越多容量的現今，遊戲場景製作受到遊戲數據I/O瓶頸的掣肘，愈發明顯。很多遊戲都做了大量鑽山洞之類的場景，就是不得已而為之——鑽山洞不需要太多數據堆砌場景，還可以藉此時機加載下一個大場景的數據。想要像超人一樣數秒內連續飛越幾個城市？對不起，現在的遊戲做不到。
·幀數上限。近幾年，市面上出現了很多高刷新率顯示器，佼佼者甚至把刷新率堆到了240Hz。然而大家不難發現，就算降低遊戲畫質，很多遊戲的幀數也依然沒法達到這個水平，而此時的GPU佔用率其實並不高，這其實也是遊戲數據I/O瓶頸導致的。
前面提到，遊戲數據從硬盤傳輸到內存最後到顯存，這些過程當中，需要CPU參與調度。在高頻調度數據時，CPU成為了瓶頸，遊戲幀數無法進一步提高。
次時代的遊戲硬件，往往肩負着引領遊戲改革的使命，這次PS5和RTX3000“安培”GPU，正是如此。
先來説説PS5。無論是Xbox SX還是PS5，都是用了SSD作為存儲介質。但是，雙方又有所不同，PS5的架構更多地為打破遊戲I/O的瓶頸而設計。
根據當前信息，PS5的SSD傳輸速率達到了5.5 GB/s，但這不是關鍵。關鍵在於，PS5的遊戲數據讀取，和傳統流程是不同的。在PS5的架構中，在一定程度上，GPU可以直接向SSD索取所需要的遊戲數據，這減少了數據中轉的環節，效率大為提升。
PS5是如何做到這一點的呢？這需要從當前遊戲的數據存儲架構説起。
當前遊戲的數據，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，當遊戲需要相應數據時，才會解包輸送到顯存當中，隨後再交給GPU渲染。
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據，每次切換新場景都必須歷經一次讀包-解包的過程，這在遊玩過程中，就體現為讀圖。
為什麼遊戲數據要打包放置？在傳統HDD硬盤中，將零散文件統一打包，有助於減少磁頭尋道，HDD硬盤的性能瓶頸就在於此。將遊戲數據打包為大文件，可以讓HDD持續傳輸數據，提升性能。
現在已經進入了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，更合理的機制是GPU需要什麼貼圖紋理，就直接讀取什麼貼圖紋理。但由於當前的遊戲主機PS4、Xbox One依然採用HDD，遊戲也只能隨主流適配HDD，因此遊戲的做法還是將數據打包在一起，這令SSD需要讀取額外的大量數據，並沒有發揮出應有特長。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，情況終於得以改變。根據目前透露的消息，針對PS5開發的遊戲，其貼圖等數據不再集中打包，而是分佈放置（或是打成更小的包），遊戲可以僅僅讀取所需數據到顯存，效率大為提升。
PS5的獨到設計，有兩個好處。
·消滅讀圖的過程。遊戲數據不再需要統一打包、讀取，可以按需實時讀取，更加靈活，沒有了統一載入也就是讀圖的過程；
·解除場景規模限制。前面提到，遊戲場景規模受限，是由於顯存難以承載大場景所需的海量數據。在PS5的新存儲架構中，場景所需要的數據分散存儲在SSD中，實際需要的時候才會實時讀取，這些數據再無必要一次性載入顯存，大大減輕了顯存負擔，也令更大場景的製作成為了可能。
理論上如此，實際也是如此。索尼早前演示了運行中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，儘管地圖非常廣闊，但PS5基本不需要讀圖。
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全程運行在PS5實機上，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，運行於PS5實機上，可以直接跳轉到7:50，體會一下無縫大地圖的高速移動
RTX3000“安培”GPU：開創性的RTX IO
改善遊戲數據讀取流程這一思路，不僅索尼有想到，老黃也意識到了。在最近發佈的RTX3000系列“安培”GPU中，帶來了DirectX Storage的特性，它有望打破PC遊戲的I/O瓶頸。
DirectX Storage其實是微軟推出新DirectX API，而NV在安培GPU中，對其進行了支持，推出了RTX IO技術。簡單來説，RTX IO可以讓PC遊戲的數據傳輸繞過CPU，直接傳輸到顯存供GPU使用，這其實和PS5的設計是有相似之處的。
毫無疑問，RTX IO可以大大增加PC遊戲數據傳輸的效率，根據NV給出的數據，通過RTX IO，GPU解壓遊戲數據的性能甚至超過了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遊戲的幀數更加“電競級”。
前面提到過，很多PC電競遊戲，幀數上不去，其實不是GPU的問題。通過軟件觀察到，GPU的佔用率其實根本不高，但CPU卻已經是滿頻率運行，幀數的瓶頸在於CPU。CPU調度的數據“喂不飽”GPU？現在RTX IO可以讓遊戲數據I/O繞開CPU，從根本上解決這問題。如此一來，遊戲幀數就有了更高的上限，在高刷新率屏幕逐漸普及的今天，無論對於職業電競選手還是普通玩家，這項技術都意義重大。
另外，RTX IO也可以帶來解除場景規模限制的好處，這和上面PS5文段中所敍述的是類似的，這裏就不多作贅述了。
總結
很多老玩家都感概，近年來遊戲畫面，已經沒有什麼質的提升了。現在的大部分遊戲的畫面對比的《孤島危機》，有質變的提升麼？《孤島危機》誕生於2007年，用《孤島危機》對比它五年前也就是2002年的遊戲，再用現在的遊戲對比距離現在十多年前《孤島危機》，不能難發現最近十幾年遊戲畫質提升之小，是遠慢於之前的。
之所以如此，是因為遊戲的圖形技術，久久未有根本性的革新。PS4、Xbox One這代遊戲主機，將光柵化等圖形技術發揮到了一個新高度，然而遊戲的渲染流程沒有質變。PS3/Xbox360時代開始出現的法線貼圖、環境光遮蔽、動態光照、體積光等，當今依然是提升遊戲畫質的法寶。同樣，遊戲的渲染流程，也依然停留在從硬盤讀取數據包、傳輸到內存顯存解壓，再交由GPU渲染的傳統。從這個角度來看，其實PS4、Xbox One是設計相當保守、缺乏開創性的一代遊戲主機。
在這個世代，轉機終於來了。支持光線追蹤的GPU實裝在了PS5、Xbox SX等下一代遊戲主機以及PC顯卡中，SSD也成為了遊戲硬件的標配。遊戲全方位發生質變，終於有了前提條件。
光線追蹤大大提升了遊戲畫面的上限，而遊戲數據I/O的變革，則可以讓遊戲流程天翻地覆。相信隨着新一代遊戲硬件的普及，越來越多的玩家會感嘆“原來遊戲還可以這麼做”，共同期待吧。