Рейтрейсинг, тензорные ядра и ИИ: зачем нужна видеокарта от Nvidia за 96 тысяч рублей

Разбираемся, что всё-таки показала компания и чего следует ждать ПК-игрокам в ближайшем будущем.

Спустя месяцы догадок, сливов и слухов производитель графических процессоров Nvidia в рамках презентации на выставке Gamescom представил новые видеокарты семейства GeForce RTX 20xx. Компания заранее сообщила дату выступления, и многие сразу предположили, что речь пойдёт именно о новых продуктах. Однако ещё в начале июня глава Nvidia уверял, что ждать следующее поколение придётся ещё долго, вероятно, пытаясь поддержать спрос на уже находящиеся в продаже карты.

Модели этой линейки рассчитаны на более широкую аудиторию и работу с играми, в отличие от анонсированных ранее Titan V, Quadro GV100 и Quadro RTX для более профессиональных задач. Поэтому именно представленные RTX 2070, RTX 2080 и флагманскую RTX 2080 Ti следует считать полноценным развитием предыдущей линейки GTX 10xx, которого ждали ПК-геймеры.

Интересно, что спустя более десяти лет использования обозначения GTX, Nvidia отказалась от него в пользу RTX — оно обозначает упор на рейтрейсинг (или гибридную трассировку лучей) в реальном времени. Именно эта технология стала главным нововведением грядущих устройств — это очень ресурсозатратный процесс точного моделирования многочисленных отражений световых лучей от различных объектов в сцене.

Для начала нужно понять, что же в рейтрейсинге такого сложного, чем новая обработка освещения отличается от уже привычной, а также зачем вообще всё это нужно обычным игрокам. Чтобы представить, как это работает, достаточно просто окинуть взглядом окружающее пространство, найти освещённые объекты и проследить, откуда именно исходит свет. Фактически, это и есть рейтрейсинг — «отслеживание лучей».

При этом, если поставить между светом и объектом препятствие или же перемещать сам источник (или даже несколько), то тени тоже будут двигаться, а иногда даже появятся новые. Цель технологии Nvidia заключается как раз в полноценной симуляции этого эффекта.

На словах рейтрейсинг может показаться сложным, но на самом деле почти каждый человек хотя бы раз сталкивался с ним, пусть и не в играх. Подобные эффекты часто используются в современных фильмах для создания и улучшения спецэффектов, например реалистичных отражений, преломлений и теней, хотя и не всегда на полную. В этом случае кадры, снятые на камеру, совмещаются с объектами, созданными на компьютере, что позволяет при желании кардинально менять финальную картинку, создавая у зрителя нужные ощущения.

Главным препятствием для использования рейтрейсинга в играх многие годы оставались ограниченные ресурсы компьютерного железа, которое просто не справлялось с обработкой фреймов в реальном времени. Ведь в отличие от кино, где авторы могут заранее рендерить нужные кадры по несколько десятков часов на специальных «фермах» из профессиональных видеокарт, в играх на всё это есть лишь малые доли секунды.

Поэтому в компьютерной графике долгое время использовалась достаточно быстрая техника так называемой «растеризации», позволяющая отображать трёхмерные объекты на двумерном экране. При обычной растеризации объекты в сцене чаще всего создаются из специальной сетки треугольников — полигонов, которые пересекаются друг с другом (они могут быть разного размера и формы).

К таким точкам пересечений привязана разная информация, включая данные об их положении в пространстве, цвете, текстурах и так называемых «нормалях». Последние используются для рельефного текстурирования, чтобы сделать поверхности объектов более объёмными и реалистичными. Очень часто вместе с этим меняется и эффект затенения, благодаря чему модель выглядит почти как настоящая.

После этого видеокарта преображает полученные модели в пиксели, которые пользователь видит на своём экране. При этом каждый из этих пикселей может быть разного цвета, для чего используются упомянутые выше данные. Затем в работу включается «шейдинг», с помощью которого на пиксели могут получать дополнительные эффекты и снова менять цвет в зависимости от того, как на них падает свет.

Несмотря на более простую, по сравнению с трассировкой лучей, технологию, растеризация всё равно сложна с точки зрения обработки железом. В сцене может быть огромное количество объектов, состоящих из многих сотен тысяч полигонов, а пикселей, если брать разрешение 4К, на экране примерно восемь миллионов. Кроме того, изображение обновляется от 30 (на консолях и слабых ПК) до 60 и более (мощные ПК с дорогими видеокартами) раз в секунду.

Организовывать постоянный поток кадров без задержек помогает буфер, также хранящий информацию о состоянии пикселей, который определяет, какие из них должны быть отображены на дисплее, а какие объекты в сцене находятся сзади и должны оставаться скрытыми.

Рейтрейсинг работает принципиально иначе. В реальном мире все видимые объекты чаще всего освещены несколькими источниками, но сам свет может несколько раз отражаться от них ещё до того, как достигнет человеческого глаза, или же встретить препятствие, из-за чего получится тень. Помимо этого, при наличии чего-то прозрачного или полупрозрачного, например, стекла или воды, зритель также увидит многочисленные преломления света и наложения теней друг на друга.

Привычные же сегодня Screen Space отражения в сравнении выглядят гораздо проще.

Трассировка принимает в качестве «глаз» внутриигровую камеру и отслеживает путь каждого светового луча через все пиксели на двумерном дисплее до изначальных 3D-моделей. Благодаря этому разработчики могут добиться лучшего качества освещения и различных световых эффектов, чего было невозможно добиться при использовании более простых технологий. И хотя за годы развития графики появилось много техник для «подделки» честных эффектов, их потенциал всё же был сильно ограничен.

Для своего рейтрейсинга Nvidia использовала сразу несколько прошлых разработок известных деятелей игровой и киноиндустрии, включая захват отражений и преломлений. Например, если луч несколько раз отражается от поверхностей или проходит сквозь несколько объектов до достижения источника света, то цвет и другая информация об освещённости от этих объектов также будет влиять на итоговый вид отдельных пикселей.

В некоторых случаях использование рейтрейсинга в играх не просто улучшит картинку, а будет напрямую влиять на геймплей. Например, врага можно будет раньше увидеть в отражении и вовремя среагировать. Вероятно, технологии найдут применение и в стелс-экшенах, где более реалистичное освещение и сложные тени помогут лучше ориентироваться на локации, полной противников.

Глава компании Дженсен Хуанг на прошедшей презентации заявил, что новые видеокарты линейки RTX 20xx станут первыми устройствами для полноценной трассировки лучей в реальном времени. Однако при этом стоит отметить, что поддержка технологии будет и в прошлом семействе GTX 10xx, хотя и лишь на начальном уровне.

Главным отличием грядущих видеокарт от прошлых моделей станет наличие на плате установленных RT Cores — нескольких ядер, специально предназначенных для работы с новыми алгоритмами и обеспечения лучшей производительности при включённом рейтрейсинге. Точное их число пока неизвестно, но компания всё же рассказала о других особенностях устройств.

Архитектура Turing, на которой и построены новые видеокарты, по словам Nvidia представляет собой развитие идей более профессиональной Volta, рассчитанной на работу с машинным обучением. Помимо прочего, в устройствах появился новый унифицированный кэш, обладающий в два раза большей пропускной способностью по сравнению с прошлым поколением, а также новая архитектура потокового мультипроцессора, которая позволяет выполнять вычисление целочисленных выражений параллельно с выполнением операций с плавающей запятой.

Кроме того, сами RT Cores были усилены так называемыми тензорными ядрами, предназначенными для рассчётов ИИ и нейросетей. Вкратце, это позволяет быстро идентифицировать возможные ошибки в вычислениях или отсутствующую информацию во время процессов рейтрейсинга, увеличивая потенциальную производительность карт в этом режиме.

В новой линейке заметно выросло количество так называмых CUDA-ядер — универсальных вычислительных блоков видеокарты. Помимо базовых показателей вроде частот работы, пропускной способности и количества памяти инженеры также добавили и пару новых — характеристику Giga Rays/sec, отражающие возможности каждой модели при работе с трассировкой, и RTX-OPS, представляющую собой среднее количество всех выполняемых устройством операций, включая рейтрейсинг, шейдинг и другие задачи.

По всем показателям модели RTX обошли старые устройства тех же ценовых категорий. Изначально представители Nvidia на конференции уделили внимание лишь рейтрейсингу и демонстрациям его работы, но уже через пару дней компания всё же уточнила, что даже не принимая во внимание трассировку производительность новых видеокарт примерно в полтора раза выше, чем у моделей GTX 10xx.

Судя по опубликованному сравнению производительности RTX 2080 и GTX 1080, при разрешении 4K устройство всё же смогло вытянуть как минимум 60 кадров в секунду во многих современных играх, чего ранее можно было добиться лишь в единичных тайтлах.

Здесь у Nvidia также не обошлось без нововведений. В видеокартах линейки RTX, благодаря всё тем же тензорным ядрам, будет использоваться новая технология DLSS или Deep Learning Super Sampling (суперсэмплинг при помощи глубокого обучения ИИ без специализированных алгоритмов для отдельных задач), которая формально представляет собой продвинутое сглаживание, хотя на самом деле это не совсем так.

C помощью нейросетей устройства будут улучшать картинку, избавляя от необходимости включения любых других типов сглаживания — даже самых лучших в соотношении производительность-качество, например TAA (достаточно быстрое темпоральное сглаживание, которое не требует слишком много ресурсов).

Однако, судя по презентации компании, в реальности при включённом DLSS картинка будет рендериться в изначально меньшем разрешении, а уже с помощью нейросетей видеокарта будет искусственно увеличивать его до полноценных 4К. Этот подход немного напоминает техники вроде «шахматного» 4К, популярные на консолях, но благодаря работе нейросетей и тензорных ядер игроки на ПК смогут добиться более качественного изображения с меньшим количеством артефактов.

Кроме того, судя по коротким роликам с демонстрацией работы технологии, производительность с включённым DLSS будет гораздо выше, чем при стандартном 4К со сглаживанием. Например, в демо на движке Unreal Engine с активированным суперсэмплингом фреймрейт составил в среднем 70 кадров в секунду, тогда как с включённым TAA — лишь 40. Тем не менее, пока в основном доступны лишь off-screen записи с проходящей выставки Gamescom, поэтому честно сравнить работу DLSS с более привычными настройками ещё нельзя.

Многие пользователи ПК скептически отнеслись к возможностям рейтрейсинга и не поняли, зачем вообще нужно покупать новые дорогие видеокарты Nvidia (особенно в России, где цены на многие нереференсные модели с хорошим охлаждением превышают 100 тысяч рублей). Однако следует принять во внимание тот факт, что это первый подобный прорыв в использовании трассировки в реальном времени и на полноценное его внедрение потребуются месяцы, а то и годы.

Продемонстрированные многими разработчиками возможности технологии пока ещё далеки от идеала, к тому же многие студии потратили на создание подходящих билдов лишь несколько недель, так как не имели доступа к нужным устройствам. Но уже сейчас в показанных роликах можно увидеть потенциал — некоторые специалисты даже считают, что, в отличие от многих прошлых технологий (например, рендеринга волос и шерсти Hairworks или обработки физики PhysX), в данном случае в графике будут происходить монументальные изменения, пусть и не сразу.

Конечно, есть и минусы. Вероятно, сейчас при использовании рейтрейсинга в лучшем случае стоит ждать производительности на уровне 60 fps при 1080р. Это наверняка огорчит тех, кто ждал упора на полноценные 4К и высокий фреймрейт в новом поколении.

Также остаётся вопрос с консолями, где на текущем поколении лишь Xbox One X способен во многих играх показывать 4К при 30 кадрах в секунду, а 60 fps вообще есть лишь в нескольких проектах. Будущие консоли Sony и Microsoft, как и современные, по слухам, также будут работать на гибридных видеочипах от AMD, однако компания пока молчит о потенциальной поддержке рейтрейсинга в своих грядущих устройствах. Но даже если поддержка всё же будет, вероятно, трассировка в основном останется «эксклюзивом» мощных ПК.

Пока лишь можно заметить, что Nvidia настроена серьёзно — изначально компания сообщила о совместной работе над гибридной трассировкой совместно с Microsoft. Вместе корпорации занимаются созданием специального набора инструментов для разработчиков DXR API для DirectX 12, отвечающего за графику в Windows 10. О планах добавить поддержку рейтрейсинга в свой движок Unreal Engine заявили и представители Epic Games, что также будет способствовать распространению технологии и использованию её разработчиками.

Конечно, в ближайшее время революции ждать не стоит. Поддержка трассировки уже появится в ближайших играх этой осени, но лишь в базовом виде. Основной бум наверняка стоит ожидать лишь к середине-концу 2019 года, а то и позже, когда будут выходить проекты, сейчас находящиеся далеко от финальных стадий разработки.

Nvidia неохотно делится подробностями о работе новых технологий, поэтому остаётся лишь ждать выхода видеокарт и появления результатов первых тестов в играх, чтобы понять, действительно ли они настолько мощнее предыдущих и на что способен рейтрейсинг в реальных условиях.

В продаже RTX 2080 и RTX 2080 Ti появятся 20 сентября, а дата выхода младшей RTX 2070 пока неизвестна.