顯卡技術革命：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注。隨著近段時間相應測評成績陸續(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已成當之無愧的新晉“卡皇”，論空前的算力、論堆滿的前沿技術，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。以往，AI更多是英偉達數(shù)據(jù)中心產品線的主角，為何在主攻游戲的消費級領域也開始凸顯AI的作用？在這背后，英偉達的雄心宏圖，已經透過游戲，布向更廣闊的潛在AI應用未來。
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上新，AI工具DLSS 3當仁不讓。AI在游戲領域的應用并不少見，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)領域，AI也逐漸承擔起寫臺詞劇本、配音、翻譯到生成實時3D面部動畫等更具創(chuàng)造力的任務。對于頂級游戲大作而言，劇情、系統(tǒng)、關卡設計和視覺效果缺一不可。人們總在追求更高清的畫質、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（深度學習超級采樣）技術，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，實現(xiàn)畫質提升。畫質提升了，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，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)性的光學多幀生成技術，讓AI實時“腦補”出全新的完整高質量畫面，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，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”原理并不復雜，但若具體拆解其所涉及的一系列技術，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結束，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)這些技術組合的關鍵杠桿，便是AI。
DLSS 3包括3個組件：深度學習超級分辨率（也就是之前的DLSS 2）、深度學習幀生成（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，并為神經網絡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該如何正確地渲染光照和陰影。
另一個關鍵的架構創(chuàng)新，是Ada架構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。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、運動矢量、光流場信息后，將所有信息輸入到英偉達已經訓練好的卷積神經網絡AI幀生成器，經計算分析，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(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，通過讓GPU和CPU同步，消除GPU渲染隊列中的無用幀，來確保最佳響應速度。
雖說多幀生成技術靠“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、響應速度、畫質，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，顯著降低了新技術集成的難度。應用的門檻降低了，就會有越來越多的游戲開發(fā)商選擇迅速擁抱新技術。可以看到，AI技術已經跟英偉達的另一個“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，會模擬計算環(huán)境中各種光源發(fā)出的光線經過反射、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)代游戲對每個像素執(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中負責此類計算的晶體管數(shù)量的提升已經跟不上這一速度。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布局呢？正如黃仁勛所言，Ada架構引入的實時光線追蹤、AI超級采樣等前沿技術創(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)明可著色編程GPU時，GPU應用市場還相當沉寂；當英偉達創(chuàng)建世界上第一個3D電子游戲平臺時，電子游戲市場很小；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(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……結果，歷史一次又一次地驗證了黃仁勛對未來市場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”，通過軟硬件結合的全棧創(chuàng)新，不斷挖掘新的業(yè)務增長點，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)市場調研機構的數(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。屆時實時光追技術在游戲領域的地位將從“聊勝于無”轉向“大殺四方”，英偉達在高端游戲顯卡市場的話語權也將更加穩(wěn)固。正因如此，黃仁勛才對RTX 40系列有相當高的信心，稱這意味著“實時光線追蹤和利用AI生成像素的神經網絡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AI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，或者把材質轉換為具有精確物理屬性的材質，同時呈現(xiàn)出逼真的光影效果，讓游戲質感煥然一新。
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應用的十年?！痹贕TC主題演講中，黃仁勛談道，推動計算技術這枚火箭發(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Geoffrey Hinton教授的團隊用深度學習算法奪魁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，便是從圖形處理和游戲發(fā)家的英偉達GPU。今天，英偉達已經成長為AI計算領域公認的“頭號玩家”，但其所預見的AI應用潛在市場，遠比當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及產品所擅長之處。RTX 40系列GPU給AI驅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、設計、算法等技術創(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。
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