DirectX 11显卡几何性能应用体验

　　近日，在网络上掀起了真假DirectX 11的争论，争论的焦点是部分玩家认为NVIDIA GF100是真正意义上针对DirectX 11规范设计的全新架构，而AMD的DirectX 11产品是在原有DirectX 10产品架构上优化而来的产物。那么，这个有关DirectX 11显卡之争的焦点是什么？为何玩家有如此大的分歧？本刊曾在4月下对GeForce GTX 480显卡做了详细测试，其中也谈到了DirectX 11的部分。今天，我们就这个话题进一步深入，一起来就真假DirectX 11的话题进行分析和测试。

　　事实上，在IT界类似“真假DirectX 11”之争的讨论从来没有停止过，例如曾经闹得沸沸扬扬的桥接和原生SATA方案之争。有一种观点认为，虽然桥接SATA方案的性能不是最佳，但它推出时间快，能在第一时间让用户体验新技术带来的新应用。而另外一种观点则认为，原生SATA方案虽然推出时间慢，但性能更佳，兼容性更好，原生芯片方案是未来的发展趋势。单就这两种方案的设计思路而言，并没有绝对的好与坏，最终的结果肯定是大家都转向“原生”方案。

　　“真假DirectX 11”之争是否也如此呢？我们下面的分析将告诉你答案。

　　Tessellation（曲面细分）—DirectX 11的关键特性本刊曾经在2010年2月上对DirectX 11显卡的效率和画质进行了全面测试，结论是DirectX 11的执行效率很高，这主要归功于DirectX 11 API中的Tessellation（曲面细分）和DirectCompute 11。借助DirectCompute 11，可以在游戏中实现电影级别的景深效果、更符合真实环境的高清晰环境光遮蔽、顺序无关透明化。而曲面细分技术，本刊曾经多次对该技术进行解析。毫不夸张地说，微软在DirectX 11 API中引入曲面细分技术，就好比将一个迷路的孩子领回了家。因为AMD（ATI）早在2001年就已经研发出相关技术，但当时没有引起业界的重视，没有被纳入任何一个图形计算和编程的API之中。随着图形核心的发展，微软开始意识到几何性能计算的重要性，并终于在DirectX 11API中引入了曲面细分技术。这预示着GPU的几何引擎将在未来扮演更加重要的角色。当然，DirectCompute11和曲面细分都只是DirectX 11中的部分规范，并不能以是否支持它们为由来判断真假DirectX 11。那么曲面细分技术究竟能为我们带来什么呢？

　　时至今日，我们仍然在许多游戏大作里面发现，主角的脑袋是方形的，胳膊是多边形的，这和现实状况完全不相符。这是因为在3D建模的时候，由于CPU性能有限，无法使用更多的三角形去建立模型，以至于出现上述情况。但曲面细分技术的引入有望改变这一切，它主要依赖GPU进行几何运算，以实现更丰富的模型。

　　我们用一个例子来看看曲面细分技术的含义。假设你有一个球体和若干方形瓷砖，现在请你使用这些瓷砖尽可能紧密包裹球体，尽可能覆盖更多的球体表面积，你会怎么做呢？如果直接将瓷砖覆盖至球体表面后会发现，它已经成了一个棱角分明的棱台，几乎失去了原有球体的造型。这是因为方砖是平面，篮球是曲面，平面只能以切面形式和曲面上的一个点接触。

　　但如果尝试将瓷砖砸碎，使它变成一个个面积非常小的方块呢？是的，当用面积足够小的瓷砖去包裹球体时，包裹出的篮球就越精细。因此，你可以将曲面细分理解为将原有的平面砸碎。然后用这些“碎片表面”进一步贴合原有曲面。砸得越碎，细分的表面越多，就越接近目标曲面！更多有关曲面细分技术的解析请参考本刊5月上《几何性能的跃进时代 从曲面细分看GPU图形和游戏的发展》一文。

　　源于设计理念的不同—NVIDIA和AMD的DirectX 11图形架构分析借助曲面细分技术，我们可以极大地改善游戏画质。解决的办法虽然有了，但GPU的性能却没有跟上脚步。

　　这是因为进行大量曲面细分的计算会极大耗费GPU几何性能，而过去业界一直强调GPU的阴影、贴图能力，忽略了几何性能，只设计了一个前端控制电路模块用于几何性能的计算。如今，NVIDIA和AMD都意识到了这个问题，在DirectX 11产品上都针对几何计算进行了优化，但二者的思路和实现方法却大不一样。

　　在NVIDIA方面，它认为成熟的GT200架构已经无法适应大规模的几何计算，因此对支持DirectX 11的GF100图形架构进行了全新设计，哪怕产品推出时间较晚也在所不惜。而专门用于几何计算的Raster Engine和PolyMorphEngine就是GF100架构上的关键和创新设计。Raster Engine分散在四个GPC内，PolyMorph Engine则分散在每组SM里面，这种层层递进的并行架构设计的几何性能计算效率更佳。在AMD方面，它强调抢先发布DirectX 11产品，从而快速占领市场。它的DirectX 11产品的架构是在成熟的RV770架构基础上，通过相对简单的核心堆积、添加DirectX 11指令的方式而成。它有一个用于几何计算的前端控制模块，拥有用于几何计算的运算单元（Tessellator（镶嵌器）+Vertex Assembler（顶点装配器）+Geometry Assembler（几何装配器）+Rasterizer×2+Hierarchial-Z×2，Rasterizer+Hierarchial-Z对应GF100的Raster Engine，Tessellator+Vertex Assembler+Geometry Assembler对应GF100的PolyMorph Engine）。我们可以将Cypress的图形架构中的Rasterizer（光栅器）和Hierarchial-Z（多级Z缓冲模块）看成是GF100中的Raster Engine；将Cypress的图形架构中的Vertex Assembler（顶点装配器）、Geometry Assembler（几何装配器）和Tessellator（镶嵌器）看成是GF100中PolyMorph Engine，对应顶点拾取、曲面细分、观察口转换、属性设置和流式输出，它们的功能类似。

　　从用于几何计算的几何单元数量来看，NVIDIA的GF100远超过AMD的Cypress。GF100拥有四个Raster Engine，Cypress实现类似功能的单元只有两个（Rasterizer+Hierarchial-Z）×2，比例为4∶2。GF100拥有16个PolyMorphEngine，而Cypress实现类似功能的单元只有一个（Tessellator+Ver texAssembler+Geometry Assembler），比例为16∶1。单从图形架构和专用于几何计算单元的数量来看，GF100的几何计算性能将大大超过Cypress。

　　性能实测—谁对曲面细分支持得更好那么，对几何计算进行优化设计的全新架构GF100的实际性能能否超越相对保守的C y p r e s s ？

　　GF100在几何单元数量上的优势能否转化为性能上的优势？我们将通过基于DirectX11的应用测试来寻找答案。

　　测试包括两个方面，一则是通过《UnigineH e a v e nB e n c h ma r k2.0》软件来考量两者的几何计算性能，“DirectX 11+Shader(High)+Tessellation(Extreme)”是最高画质+极致Tessellation等级+DirectX 11的设置，这是考验它们在极致Tessellation画面下的性能；“DirectX 11+Shader(High)+Tessellation（Disabled)”是最高画质+关闭Tessellation+DirectX 11的设置，这是考验它们在DirectX 11模式下，关闭Tessellation特效后（此时Occlusion等其它DirectX 11特效仍然存在）执行其它DirectX 11特效的效率。通过这两种不同模式的测试，我们将对两者的DirectX 11性能，尤其是Tessellation性能一目了然。二则是通过大量DirectX 11游戏来看看它们在实际游戏中的表现。在测试产品方面，我们以索泰GTX 480极速版为例来看看它和同级别Radeon HD5870的性能差距。

　　GF100的曲面细分性能全面超越

　　在《Unigine Heaven Benchmark 2.0》1920×1080+DirectX 11+Shader(High)+Tessellation（Disabled)模式下，索泰GTX 480极速版的性能领先Radeon HD 5870约33%。这说明测试中虽然关闭了曲面细分，但索泰GTX480极速版凭借全新设计的图形架构在执行其它DirectX 11特效时依然游刃有余；在1920×1080+DirectX 11+Shader(High)+Tessellation(Extreme)模式下，游戏中存在大量最高级别的曲面细分特效，对显卡的几何计算性能提出了很高的要求。Radeon HD 5870在图形架构、几何计算单元数量不足的劣势被体现出来，它的凭借帧率只有22fps，画面不时有比较明显的停顿感。而索泰GTX 480极速版的帧数则达到了42.6fps，领先Radeon HD 5870约93%，体现了它的架构和几何计算单元数量上的优势。

　　DirectX 11游戏：GF100优势依旧

　　DirectX 11游戏和《Unigine Heaven Benchmark 2.0》的测试结果类似，索泰GTX 480极速版在DirectX 11游戏的测试中依旧表现出了不错的势头，例如在《潜行者：普里皮亚季》测试中，索泰GTX 480极速版领先Radeon HD 5870约12%。同时我们也注意到，在DirectX 11游戏测试中，索泰GTX 480极速版的领先幅度有所下降。这是因为GF100架构主要针对曲面细进行了优化，实际DirectX11游戏中除了加入曲面细分这项DirectX 11技术以外，也加入了其它DirectX 11、DirectX 10甚至DirectX9.0c技术，Radeon HD 5870依靠频率的优势缩小了差距。此外，游戏开发商也考虑到目前显卡几何性能并不算高，如果在游戏中加入大量极致的曲面细分技术会使显卡不堪重负，因此实际游戏中的曲面细分效果不如《UnigineHeaven Benchmark 2.0》。

　　总结：曲面细分，未来游戏发展趋势

　　图形核心在经历了过分强调阴影贴图的时代以后，终于迎来了理性的回归——重拾几何性能。NVIDIA和AMD也在相关的DirectX 11产品上进行了设计和优化，但思路和产品的最终性能表现却大不一样。AMD强调快速推出DirectX 11产品，Radeon HD 5870就是在成熟的RV770架构基础上通过增加核心规格、几何单元、DirectX 11指令而成。虽然它完整支持DirectX 11，但它的架构较陈旧、几何计算单元数量少，因此几何性不够理想。

　　而N V I DI A GF10 0 是针对DirectX 11特别是曲面细分全新设计的图形架构，完整支持DirectX 11，在架构设计处于领先地位。基于GF100架构的NVIDIA GeForce GTX 480显卡的几何性能较强，在DirectX 11游戏和Benchmark中展现出了令人信服的实力。

　　从产品的实际表现方面来看，索泰GTX 480极速版在五个基于DirectX 11的游戏和应用测试中，在四个测试项目中都处于领先低位。综上所述，我们认为具备真DirectX 11架构的GeForce GTX 480显卡在当前的DirectX 11应用，特别是具备大量曲面细分计算的应用和未来的游戏中将如鱼得水，性能更加出色，这也符合未来图形核心的发展趋势。