1现今游戏的大问题：数据I/O瓶颈
[PConline 杂谈]对于游戏玩家来说，最近可谓是重磅消息连连。新一代游戏主机无论是PS5还是Xbox SX，都公布了售价，即将在年底开售；而在PC领域老黄也祭出了新核弹RTX3000系列，性价比高得吓人。这些全新的游戏硬件，除了在性能和价格方面带来惊喜，它们所带来的全新技术，也会彻底改变未来游戏的体验。
Xbox SX和PS5均已亮相，但你可知它们会如何改变游戏？
关于新硬件带来的游戏技术，大家提及最多的可能就是光线追踪，它可以带来更加逼真的画面。不过对于游戏整体的体验，可能却是另一方面的技术，会产生更加翻天覆地的影响。而这方面技术，却被很多玩家所忽视。今天，就来谈谈新一代游戏硬件，在游戏数据传输I/O机制上的革新，会为游戏带来怎样惊人的变化吧。
现今游戏的大问题：数据I/O瓶颈
如果你是一名有一定阅历的游戏玩家，应该都不难发现，多年来游戏始终存在一个尾大不掉的问题——需要读图。在以往，这可能不是什么大问题，但在近十年来越来越多游戏拥抱开放世界，地图做得越来越大，读图的时间愈发夸张。某些游戏即在SSD的环境下，读图时间仍然足够你去泡杯茶，体验相当抓狂。
就算换上了SSD，读图仍需要等待好一段时间
这其实就体现出了游戏在I/O方面的瓶颈。在传统的流程中，数据存储在硬盘上，玩游戏数据得先从硬盘读取到内存，然后经由CPU分配，再传输到显存中，最后由GPU来进行处理。可见，游戏数据是需要经由硬盘-内存-显存这个冗长的传输环节的，而且在这些环节当中还需要依赖CPU的调度，这并不高效。
游戏数据的传输流程，先从硬盘经由CPU读取到内存，然后CPU再将数据载入显存，交给GPU渲染
随着游戏的地图越来越大、画面越来越精细，游戏数据I/O方面的瓶颈愈发凸显。这主要制约了游戏在以下方面的表现。
·读图。首先影响的自然是前面提到过的读图。只要地图足够大，就算用上了SSD，仍会有明显的等待时间，这点就不多赘述了。
像《血源诅咒》这样的游戏，复活、过关、换地图都需要经由冗长的读图
作为一个古老的游戏机制，读图伴随玩家已久。但为何游戏必须要读图？甚至游戏为什么要做成不同的关卡？在游戏数据I/O瓶颈愈发突出的今天，越来越多人开始思考这个问题。
·场景制作。游戏数据的I/O效率不高，导致游戏制作者没办法一次性调用太多的数据，去制作理想中的庞大场景。
游戏运行时，GPU所处理的数据来自于显存，显存乃至内存的容量和硬盘不可同日而语。游戏制作者必须在螺蛳壳里做道场，用几个G的数据，来构建当前画面所有的游戏场景；否则，数据就需要重新从硬盘读取，替换当前显存和内存的数据。
如此一来，游戏场景要么牺牲精细度，要么缩减规模，不然就会频频读图——实际上很多游戏也的确需要频频读图。为了掩饰读图、避免游戏体验中断，游戏制作者采用了很多巧妙的方法，例如《神秘海域》中，当玩家爬山爬了一段后，背后会发生悬崖崩落之类的情节，紧张刺激的同时，随着崩落，旧的地图也被删掉了，显存中的数据得到了清空，开始读取下一个场景的数据，而读图过程则被CG动画播片等手段掩饰。
《神秘海域》系列游戏会用崩塌、爆炸等方式，删掉旧地图，腾出显存容量
但无论如何，这也只是权宜之策。受限于容量有限的显存、低下的I/O效率，游戏场景始终难以随心所欲地扩张。在画面越来越精细、高精度贴图纹理占据越来越多容量的现今，游戏场景制作受到游戏数据I/O瓶颈的掣肘，愈发明显。很多游戏都做了大量钻山洞之类的场景，就是不得已而为之——钻山洞不需要太多数据堆砌场景，还可以藉此时机加载下一个大场景的数据。想要像超人一样数秒内连续飞越几个城市？对不起，现在的游戏做不到。
·帧数上限。近几年，市面上出现了很多高刷新率显示器，佼佼者甚至把刷新率堆到了240Hz。然而大家不难发现，就算降低游戏画质，很多游戏的帧数也依然没法达到这个水平，而此时的GPU占用率其实并不高，这其实也是游戏数据I/O瓶颈导致的。
CPU频率已最大，GPU却远没有满载，帧数还是没法跑到240以上，一部分原因是CPU成了I/O调度瓶颈
前面提到，游戏数据从硬盘传输到内存最后到显存，这些过程当中，需要CPU参与调度。在高频调度数据时，CPU成为了瓶颈，游戏帧数无法进一步提高。
次时代的游戏硬件，往往肩负着引领游戏改革的使命，这次PS5和RTX3000“安培”GPU，正是如此。
2PS5：独有的架构打破I/O瓶颈
PS5：独有的架构打破I/O瓶颈
先来说说PS5。无论是Xbox SX还是PS5，都是用了SSD作为存储介质。但是，双方又有所不同，PS5的架构更多地为打破游戏I/O的瓶颈而设计。
根据当前信息，PS5的SSD传输速率达到了5.5 GB/s，但这不是关键。关键在于，PS5的游戏数据读取，和传统流程是不同的。在PS5的架构中，在一定程度上，GPU可以直接向SSD索取所需要的游戏数据，这减少了数据中转的环节，效率大为提升。
PS5的SSD速度非常快，但真正的革新在于架构
PS5是如何做到这一点的呢？这需要从当前游戏的数据存储架构说起。
当前游戏的数据，是以打包的形式存放在硬盘中的。一张张贴图、各种纹理的文件，往往会集中打包，当游戏需要相应数据时，才会解包输送到显存当中，随后再交给GPU渲染。
某PC游戏中的纹理文件，其实是一个纹理包，要输送到显存解压
如此一来，显存就不得不存放大量未必用得到的贴图纹理数据，每次切换新场景都必须历经一次读包-解包的过程，这在游玩过程中，就体现为读图。
为什么游戏数据要打包放置？在传统HDD硬盘中，将零散文件统一打包，有助于减少磁头寻道，HDD硬盘的性能瓶颈就在于此。将游戏数据打包为大文件，可以让HDD持续传输数据，提升性能。
PS4等机器仍使用HDD，如果纹理不打包分散存储，那么HDD冗长的寻道时间，会占据更多读图时长
现在已经进入了SSD时代，SSD没有寻道这一概念，对零散文件的读取速度是HDD的百倍不止，更合理的机制是GPU需要什么贴图纹理，就直接读取什么贴图纹理。但由于当前的游戏主机PS4、Xbox One依然采用HDD，游戏也只能随主流适配HDD，因此游戏的做法还是将数据打包在一起，这令SSD需要读取额外的大量数据，并没有发挥出应有特长。大家从HDD换用SSD，感觉到的变化也就是读图更快了，但读图始终是一道迈不过去的槛。
在PS5中，情况终于得以改变。根据目前透露的消息，针对PS5开发的游戏，其贴图等数据不再集中打包，而是分布放置（或是打成更小的包），游戏可以仅仅读取所需数据到显存，效率大为提升。
PS5的存储架构，GPU能更直接读取到SSD的数据，SSD的主控也提供了解压纹理包的功能
PS5的独到设计，有两个好处。
·消灭读图的过程。游戏数据不再需要统一打包、读取，可以按需实时读取，更加灵活，没有了统一载入也就是读图的过程；
·解除场景规模限制。前面提到，游戏场景规模受限，是由于显存难以承载大场景所需的海量数据。在PS5的新存储架构中，场景所需要的数据分散存储在SSD中，实际需要的时候才会实时读取，这些数据再无必要一次性载入显存，大大减轻了显存负担，也令更大场景的制作成为了可能。
在PS5中，SSD的作用在某种意义上，更像是显存
理论上如此，实际也是如此。索尼早前演示了运行中PS5中的《蜘蛛侠》新作，演示中蜘蛛侠在地图上自由飞荡过一座座高楼，尽管地图非常广阔，但PS5基本不需要读图。
PS5中运行《蜘蛛侠》Demo，高速在大地图移动无需读图
PS4Pro运行同样的Demo，可以看到频频出现读图等待
索尼自己的演示信不过？再来看看第三方的演示。Epic之前放出了新一代引擎虚幻5的演示，这段Demo全程运行在PS5实机上，从中可以看到场景非常辽阔，而且人物可以在场景中高速移动，一气呵成，毫无读图痕迹，非常爽快。
虚幻5引擎的官方演示，运行于PS5实机上，可以直接跳转到7:50，体会一下无缝大地图的高速移动
3RTX3000“安培”GPU：革命性的RTX IO
RTX3000“安培”GPU：开创性的RTX IO
改善游戏数据读取流程这一思路，不仅索尼有想到，老黄也意识到了。在最近发布的RTX3000系列“安培”GPU中，带来了DirectX Storage的特性，它有望打破PC游戏的I/O瓶颈。
DirectX Storage其实是微软推出新DirectX API，而NV在安培GPU中，对其进行了支持，推出了RTX IO技术。简单来说，RTX IO可以让PC游戏的数据传输绕过CPU，直接传输到显存供GPU使用，这其实和PS5的设计是有相似之处的。
DirectX Storage针对SSD进行优化，无论是PC还是新一代的Xbox，都会使用这个API
毫无疑问，RTX IO可以大大增加PC游戏数据传输的效率，根据NV给出的数据，通过RTX IO，GPU解压游戏数据的性能甚至超过了PCIe Gen4下SSD的传输速度。这一方面可以大大减少读图时间，另一方面可以突破CPU瓶颈，让PC游戏的帧数更加“电竞级”。
前面提到过，很多PC电竞游戏，帧数上不去，其实不是GPU的问题。通过软件观察到，GPU的占用率其实根本不高，但CPU却已经是满频率运行，帧数的瓶颈在于CPU。CPU调度的数据“喂不饱”GPU？现在RTX IO可以让游戏数据I/O绕开CPU，从根本上解决这问题。如此一来，游戏帧数就有了更高的上限，在高刷新率屏幕逐渐普及的今天，无论对于职业电竞选手还是普通玩家，这项技术都意义重大。
当前PC游戏帧数的一个瓶颈，在于I/O系统，游戏数据传输都需要经过CPU，CPU已经不堪重负
RTX IO示意图，数据可以直接从SSD传输到显存
另外，RTX IO也可以带来解除场景规模限制的好处，这和上面PS5文段中所叙述的是类似的，这里就不多作赘述了。
总结
很多老玩家都感概，近年来游戏画面，已经没有什么质的提升了。现在的大部分游戏的画面对比的《孤岛危机》，有质变的提升么？《孤岛危机》诞生于2007年，用《孤岛危机》对比它五年前也就是2002年的游戏，再用现在的游戏对比距离现在十多年前《孤岛危机》，不能难发现最近十几年游戏画质提升之小，是远慢于之前的。
大部分游戏画面对比2007年的《孤岛危机》，并没有质的提升，光线追踪的普及才能改变这一切
之所以如此，是因为游戏的图形技术，久久未有根本性的革新。PS4、Xbox One这代游戏主机，将光栅化等图形技术发挥到了一个新高度，然而游戏的渲染流程没有质变。PS3/Xbox360时代开始出现的法线贴图、环境光遮蔽、动态光照、体积光等，当今依然是提升游戏画质的法宝。同样，游戏的渲染流程，也依然停留在从硬盘读取数据包、传输到内存显存解压，再交由GPU渲染的传统。从这个角度来看，其实PS4、Xbox One是设计相当保守、缺乏开创性的一代游戏主机。
在这个世代，转机终于来了。支持光线追踪的GPU实装在了PS5、Xbox SX等下一代游戏主机以及PC显卡中，SSD也成为了游戏硬件的标配。游戏全方位发生质变，终于有了前提条件。
光线追踪大大提升了游戏画面的上限，而游戏数据I/O的变革，则可以让游戏流程天翻地覆。相信随着新一代游戏硬件的普及，越来越多的玩家会感叹“原来游戏还可以这么做”，共同期待吧。
