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比最强CPU快七倍!GPU物理加速全解析

    记得早在GeForce 7/X1000时代,NVIDIA和ATI双方就在不停的鼓吹GPU物理加速有多么多么厉害、比CPU物理加速强多少多少倍。新一代DX10显卡发布之后,双方更是将GPU物理加速吹得神乎其神,但是三年时间过去了,GPU物理加速还只是一张空头支票,这就难免让广大用户反感:既然GPU那么强,你倒是拿一款游戏出来试试啊?

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GPU物理加速吹得最狠,普及最晚

● CPU物理加速:性能有限、效果一般

    除了GPU物理加速之外,还有两种加速方式:即CPU和PPU(物理加速卡),其中CPU物理加速早就进入实际应用阶段,但由于CPU性能有限,大多数游戏仅采用了少许简单的物理效果作为点缀,未能给玩家带来视觉上的震撼力,也就容易被大家所忽视。

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Crysis的爆炸效果使用CPU物理加速,只有四核才能跑动

    直到四核心CPU大量上市后,在Intel的牵头下有部分游戏厂商开始使用复杂的物理效果,最典型的就是DX10大作Crysis,它让玩家们见识到了原来CPU物理加速也能有如此惊人的效果,但如果CPU不够劲的话,那么华丽的物理效果就会变成幻灯片。

● PPU物理加速:功能单一、定位太高

    3D游戏物理加速无疑是个趋势,Ageia公司意识到CPU那可怜的性能不足以支撑复杂的物理运算,因此特意开发了专用的物理加速卡及配套PhysX引擎,从而为游戏提供更加强大的物理加速性能及效果。

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PhysX物理引擎的效果十分惊人,可是买物理卡的人能有多少?

    虽然PPU物理加速不如CPU那么普及,但势单力薄的Ageia能以一己之力拿下包括UT3引擎在内数十款热门游戏,足以见得PPU还是有很有实力的。只是物理加速卡定位太高、功能单一,对于玩家的吸引力不够,难以普及。

● GPU物理加速:期望很高、进展缓慢

    综上可知,CPU和PPU物理加速虽然已经得到了大量使用,但成本高性能低局限性大,这就注定了难以普及。尽管GPU物理加速一直都是雷声大雨点小,但业界和玩家都对它抱有很高的期望,因为GPU物理加速不但性能更强,而且是完全免费的。GPU剥夺CPU的功能、整合PPU的功能本来就是大势所趋,支持3D游戏之物理加速更是天经地义!

    首先我们来简单回顾下GPU物理加速的发展历程,这有助于大家理解为什么GPU物理加速之路是举步维艰。

● 专用显卡进行物理加速的构想:

    DX9时代,双方的GPU并非是统一渲染架构,运算单元的性能有限,因此NVIDIA和ATI不约而同地选择了多显卡系统,即单独拿一块显卡出来做物理加速之用,另外的一块或两块显卡用来执行3D渲染,分工明确。这种模式就相当于用一块普通显卡取代Ageia物理加速卡,据官方表示中低端显卡的物理加速能力都要强于专用的物理加速卡。这种解决方案NVIDIA称为SLI Physics,ATI叫做CrossFire Physics:

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NVIDIA有双路或三路系统,其中一块显卡专门进行物理加速

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当年的CrossFire Physics构想

● 基于Havok引擎的GPU物理加速:

    其实SLI Physics和CrossFire Physics的原理是相同的,都是建立在一家名为Havok的物理引擎基础之上,Havok 4.0引擎能够通过DirectX SDK调用GPU Shader模块处理物理运算,从而让GPU取代CPU进行物理加速。之前Havok基于CPU的物理引擎已经被数十家知名游戏开发商所采用,因此业界对于Havok新引擎从CPU转型到GPU充满期待!

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NVIDIA曾经非常看好Havok引擎

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ATI展示的GPU物理加速Demo,可以看到背景有Havok Logo

    Havok和Ageia是一对老冤家,双方各提供了一套完整的3D图形物理加速解决方案,其中Havok倡导“软解”,就是充分利用CPU富裕的资源进行物理加速,由于软件支持到位因此Havok引擎率先得到了很多游戏及引擎的支持,大家应该可以在很多游戏的启动画面中看到Havok的Logo。

    Havok并没有满足于目前的成就,除了CPU物理加速引擎之外,Havok还在研制GPU物理加速,并且和NVIDIA和ATI双方都保持的良好的合作关系。每当NVIDIA或ATI吹嘘自家的GPU物理加速有多么厉害的时候,我们总是可以发现那些演示Demo上都打着Havok的Logo,由此可见Havok在GPU物理加速这项技术中扮演的举足轻重的作用!

● Intel横刀夺爱,GPU物理加速发展受阻:

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    正当GPU物理加速前途一片光明之时,谁也没有想到半路会杀出来一个程咬金——2007年9月Intel闪电收购Havok,使得GPU物理加速嘎然而止!正在大力推广四核CPU的Intel显然不会鼓吹GPU物理加速,即便Intel想要推广GPU物理加速,也要等到2009年以后自家独立显卡发布之时才有可能。这就使得NVIDIA和ATI犹如哑巴吃黄连、有苦说不出来。

    对于雄心勃勃想要进军独立显卡市场的Intel来说,收购Havok可谓是一举多得,既打击了对手NVIDIA和ATI,还壮大了自身的实力。因为业界都对物理技术产生了高度重视,物理加速必将成为继DX10之后的又一3D图形制高点。

    既然财大气粗的Intel已经横刀夺爱,NVIDIA和AMD也无可奈何,于是两者的目光都转移到了还在孤军奋战的Ageia身上。Havok在游戏开发商和支持度方面要强于Ageia,但Ageia的PhysX SDK是免费授权使用的,全球开发者与日俱增,著名的暴雪娱乐、甚至国内很多游戏开发商都开始使用PhysX引擎,影响力不容小视。

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物理加速技术成为了新的竞争热点

    于是,这家特立独行的物理加速公司很快便成为了抢手货,NVIDIA、AMD、索尼、任天堂等公司纷纷抛出眉眼,希望将其招至麾下。正所谓时势造英雄,前途暗淡的Ageia在竞争对手Havok被收购之后,业界对其好评人如潮,股价一路飙升,身价与日俱增!对于正处在巅峰时期的NVIDIA来说资金不是问题,只需要一个决心而已。于是NVIDIA为避免节外生枝,当机立断火并Ageia!

    NVIDIA CEO黄仁勋如是说:“AGEIA团队是世界级的,他们拥有和我们同样的激情,创造最令人惊叹和最有魅力的游戏体验。通过创造世界上最深入人心的GPU和物理引擎品牌的强强联手,我们可以将GeForce加速的PhysX技术带给全世界数以百万计的游戏玩家。”

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物理加速卡成为历史

    AGEIA创始人之一,CEO Manju Hegde则说:“NVIDIA对于我们是完美的选择,他们拥有世界上最好的并行计算技术,是GPU和游戏业界的领袖,我们有同样的创造激情,同样的文化,可以进一步推动消费体验。”

    NVIDIA收购AGEIA后,其技术不仅用于游戏物理运算方面。黄仁勋表示,其CUDA通用计算技术将从中受益,为各种需要大运算量的通用计算应用提供支持。

    收购Ageia,NVIDIA看中的显然不它的硬件(物理加速卡),而是PhysX引擎及丰富的游戏支持,NVIDIA想要把现有的一大批支持物理加速卡的游戏直接转化为支持显卡物理加速,从而为GeForce系列显卡赋予更多的功能。

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PhysX引擎的普及度更高,而且同时支持CPU/PPU/GPU物理加速

    NVIDIA的方法就是使用CUDA平台重新编写PhysX引擎的底层,把物理运算部分从PPU转移至GPU。 其实物理加速也是GPU通用计算的一种,因此在程序开发上面非常适合用CUDA语言编写,更何况CUDA是NVIDIA自己制定的标准,编译起来更加得心应手。

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    基于C语言的CUDA更易用学习和掌握,而且AGIEA的PPU本身就要比GPU复杂很多,但PPU和GPU的共同点就是并行计算架构,由复杂到简单的开发工作自然会容易一些,有了以前的经验再加上简单易用的CUDA,一切都是水到渠成。

    在NVIDIA收购Ageia之后,很快就投入到了PhysX引擎的移植过程,据NVIDIA表示,双方的程序员只花了一个月时间就让PhysX引擎在GeForce显卡上跑了起来!这就充分证明了物理加速作为并行计算的一种,是非常适合GPU进行处理的,NVIDIA强大易用的CUDA平台成为了GPU物理加速的催化剂。

    现在,我们只需要安装专用版本的物理加速驱动,就能够把GeForce 9800GTX以上级别的显卡模拟成物理加速卡使用,从而让很多PhysX引擎的优秀享受到更加强大的物理效果!

    大家都知道,在最新的权威测试软件3DMark Vantage中,有一个物理加速测试场景,它主要用测试CPU的性能,当然也能支持物理加速卡(如果系统有的话)。现在NVIDIA通过改写PhysX API及驱动程序的方式,让3DMark Vantage也能够支持GPU物理加速了,这样我们就能够非常方便地对比CPU、GPU、PPU在物理加速应用中的实际性能表现。

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    3DMark Vantage通过特技飞行的拉烟飞机碰撞气囊来模拟物理效果,这些拖着长长尾巴的飞机会撞到大型充气囊上面,尾气的互相干涉、飞机撞坏的过程都很复杂,因此速度会非常慢。

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    这项物理加速测试并不是完全靠帧数计算成绩,而是根CPU和PPU的能力息息相关,如果是双核CPU则只有两个气囊,四核CPU就是如图所示的四个气囊,也就是说一个核心全权负责一个气囊的交互物理效果。

    如果系统再添置一块物理加速卡,那么气囊会增加至7个,其中3个由3颗CPU核心控制,4个由物理卡控制,剩下的1颗CPU核心用来统一协调调度。也就是说一块物理加速卡的能力基本接近于四核CPU!

    如果用显卡取代物理加速卡,那么气囊数还是7个,道理和物理加速卡一样,NVIDIA用GPU取代了PPU。虽然数量不变,但是处理速度会大大增加,现在我们就进行测试。

● 使用物理加速卡时的3DMark Vantage跑分

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● 使用9800GTX+代替物理加速卡时的3DMark Vantage跑分:

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    3DMark Vantage的总分算法机制比较灵活,在最高级的Extreme模式下,CPU得分只占总分的5%,因此开启GPU物理加速后对总分的影响非常小;但如果单看CPU得分的话,可以看到GPU物理加速是PPU物理加速的2.4倍!

● 9800GTX+的物理加速性能达到CPU的7倍之多!

    CPU总分是由两个场景的分数合成的,由于CPU Test1并不受GPU的影响,所以真正想要对比物理加速性能的话,只能看CPU Test2的成绩,下面就把CPU Test2自项目的成绩绘制成表,结果就会一目了然:

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    这个结果真是令人惊讶不已,如果单看成绩的话9800GTX+的性能是QX9770的7倍之多!但需要注意的是,在开启GPU物理加速时,实际上QX9770也有三颗核心参与了运算,因此我们可以用下面的公式来计算他们之间的性能等级:

    9800GTX+的物理性能是QX9770的:[130.33-(18.4*3/4)]/18.4=6.33倍

    物理加速卡的物理性能是QX9770的:[27.79-(18.4*3/4)]/18.4=0.76倍

    9800GTX+的物理性能是物理加速卡的:6.33/0.76=8.33倍

    也就是说,物理加速卡的性能还不及QX9770,毕竟Ageia的PPU已经是很老的东西了,面对频率高达3.2GHz的顶级四核心CPU还是败下阵来。不过按照0.76倍的性能预估的话,物理加速卡还是要领先于所有双核CPU,和主流四核CPU如羿龙、Q6600、Q9100之流差不多,而且价格也还算合理(虽然目前已经停产)。

    而9800GTX+则拥有超群的实力,8倍于PPU、6倍于QX9770的成绩给所有玩家交了一份完美的答卷,之前所鼓吹的GPU物理加速绝非浪得虚名。

    可以看出,9800GTX+可谓是性能过剩,在灵活的驱动支配下,只要拿出GPU 1/8的性能就足以达到物理加速卡相同的效果,而其他7/8的性能则可以继续渲染复杂的3D场景。因此现在NVIDIA可以用单卡同时完成3D渲染和物理加速,而且性能损失非常小,在平衡负载之后甚至会提升FPS,玩家无需投入额外的资金就能在视觉效果和流畅度方面获得双重提升!

    Unreal Tournament 3(虚幻竞技场3)是率先支持物理加速的游戏之一,这款游戏赖以成名的不是游戏本身,而是大名鼎鼎的《虚幻3》引擎,它可以说是顶级DX9C游戏引擎,也能支持一些DX10特效,由于华丽的效果、出色的硬件兼容性、及超高的执行效率,为很多游戏公司所青睐,目前基于虚幻3引擎的各类游戏已经超过了100款!

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虚幻3提供的物理加速场景地图

    虚幻3引擎所使用的物理引擎就是Ageia PhysX,但并不是所有使用虚幻3引擎的游戏都能支持PPU物理加速或者GPU物理加速,因为有些游戏在设计之初就没有加入物理效果。比如UT3就只有在特殊的地图当中才会有物理效果,之前UT3发布物理扩展包,自带“飓风”(Tornado)和“灯塔”(Lighthouse)这两张地图。现实世界中的物理现象完美地融入到了3D虚拟世界之中,真实地展现出游戏场景中事物的交互能力以及拟真能力,身临其境的全新震撼体验,物理加速卡的神威因此也令广大玩家叹为观止。

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华丽的物理效果

    《UT3》物理扩展包主要特点体现在环境的可破坏性,比如砖墙、天花板、地板都可被打碎。这样当敌人躲在墙后的时候,你可以摧毁墙体进而攻击敌人。每一堵墙都成了一扇门!尤其在《Tornado飓风》这张地图中,能量站中刮起一场飓风,无论环境还是玩家的搏斗都被这场飓风刮得支离破碎,带来更加真实、震撼的游戏效果。

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点此进入UT3物理扩展包下载页面

    最近NVIDIA的nzone上终于发布了Unreal Tournament 3的Extreme Physics mod pack,其中包括了三张地图以及完整的Physx加速扩展包,配合号称“神油”的GeForce 177.39和PhysX 8.06.12版驱动,能让玩家感受最真实的游戏效果。这次在NVIDIA nzone上Extreme Physics mod pack的正式下载意味着大张旗鼓推广物理引擎应用,从FutuneMark认证开始,我们可以看到未来物理引擎将会被广泛应用在游戏或测试程序中。 

    和3DMark Vantage一样,笔者还是使用三种模式对物理加速专用场景进行测试:9800GTX+不开物理加速模式、9800GTX+搭配物理加速卡、和9800GTX+开启GPU物理加速模式:

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    在真实游戏中的测试结果显然没有3DMark Vantage那么夸张,这是因为Vantage中显卡只负责物理加速,而游戏中显卡需要兼顾3D渲染和物理加速。但我们可以看到,即便让显卡“分心”处理物理运算,最终游戏FPS还是要比9800GTX+搭配专用的物理加速卡强,这个问题就涉及到负载分配,及游戏FPS提升瓶颈方面了。

    虚幻3引擎本身对GPU负载不大,在专用的物理地图当中,最小FPS主要出现在爆炸等物理效果触发时,如果没有强大物理加速支持,那么再强的显卡都无法流畅运行。所以当显卡分出一部分能力用于物理加速时,就能消除这个瓶颈,将整体FPS提上去,这样就不花一分钱,让性能获得大幅提升!

    也许有人会说:3DMark Vantage只不过是一个测试程序而已,而UT3这个游戏国内玩的人也不多,更何况也就只有三个地图支持物理加速,实际意义并不大。实际上3DMark代表的是一种未来的趋势,而UT3也并不仅仅是一款游戏而已,基于UE3引擎的一大批游戏都能够支持NVIDIA GPU物理加速,比如:

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    除了以上这么一长串游戏支持物理加速之外,还有为数不少的游戏正在开发中,预计将在年底之前陆续发布。而且国内知名的游戏公司“目标软软件”已经率先在“铁甲突击”这款游戏中对GeForce PhysX提供了完整支持:

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《铁甲突击》这款游戏全程支持物理加速

    也就是说,未来的游戏将不再需要打补丁,也不是仅有一两幅地图支持物理加速。在NVIDIA正式发布GeForce PhysX驱动之后,GPU物理加速开始正式走向普及,未来的游戏开发将会把物理加速作为一项标准特效、而不是可选特效来做。

    现在,NVIDIA终于将GPU物理加速从空想变为了现实,而且是通过完全免费的方式送给用户,虽然目前还只有9800GTX、9800GX2、GTX280、GTX260这少数几款显卡支持GPU物理加速,但想想买显卡就相当于免费附送一款性能强大的物理加速卡(Ageia物理加速卡的售价在千元左右),尤其是目前9800GTX的价格已经降至1500元以下,可以说相当超值!

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    NVIDIA已经出色的完成了任务,接下来就看看竞争对手的情况,目前Intel还是在力推CPU物理加速,通过各种手段宣扬四核心CPU的优势,但通过我们的实际测试来看,即便是最强大的QX9770,其物理加速性能只有9800GTX+的六分之一,和GTX280更是没法比了。由此可见CPU做物理加速的效率是非常低下的,对于游戏玩家来说花几千元买四核心CPU是很不划算的,还不如购买第二款显卡组建SLI系统。

    当然Intel收购Havok还有更长远的目的,其野心只有等到Intel的独立显卡发布之后才能揭晓。Havok FX引擎虽然也能支持GPU物理加速,但目前没有任何一款游戏使用了FX引擎,之前的所有游戏依然使用了简单的物理效果,使用CPU做运算,距离真正投入使用还需时日。

    AMD目前已经明确表示将会使用Havok引擎,通过CPU进行物理加速,至于GPU物理加速方面可能还是需要依靠Havok FX引擎。但目前存在的问题就是——老游戏使用的Havok引擎物理效果很一般,未来不可能支持GPU物理加速,而Havok FX引擎的新游戏遥遥无期,现在AMD物理加速方面受制于人,偏偏这个人就是死对头Intel,据推测AMD只能等待Intel发布独立显卡之后,才有可能搭上顺风车支持GPU物理加速。

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    另一方面,据称AMD有可能脚踏两条船,同时对NVIDIA的PhysX引擎提供支持,据了解由于两家GPU在架构方面差距不大,所以程序员很容易通过CUDA编译器让A卡也支持PhysX物理引擎。根据国外的报道,NVIDIA似乎有意为AMD提供技术支持,反倒是AMD方面表现比较冷淡。(参阅:NVIDIA支持在AMD显卡上采用PhysX技术

    三大巨头在物理加速技术方面的相互较劲,将GPU物理加速的地位推向了新的高度。NVIDIA显然是领跑者,但Intel的实力不容忽视,而AMD则是左右为难,因为在没有新标准的情况下,最终还是PhysX引擎和Havok引擎之争。但正因为如此,AMD的立场反而起到了相当关键的作用。未来结果如何很难预料,但3D世界将会因为三足鼎立之势变得更加精彩,GPU物理加速只不过是三国演义中的一场战役而已。。。<

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