因“真实”而革命 PPU物理加速卡解析

　　不知道你是否和小编有过如下相同的游戏经历，在《使命召唤：联合进攻》中，当你正驾驶着坦克攻城掠地，所向披靡的时候，却被眼前的一片灌木丛挡住了去路；同样当我们被隐藏在墙背后的敌人偷袭弄得不知所措的时候，我们为何为不能在游戏中直接把围墙砸烂攻击他们？可能会有很多玩家嘲笑说：“你根本不会玩游戏，这个游戏的规则不是这样的。”但我想说，游戏环境是现实的翻版，现实里我可以这么做为什么游戏不可以？！

　　其实，几乎现在所有的游戏都存在这样的问题，他们不是不愿意提供近乎自然的游戏方式，而是因为目前的处理器还没有足够的能力去满足开发者大规模仿真现实物理场景的需求。

　　在3D技术发展早期，图形芯片只能完成常规的渲染操作，而关键的建模和光照运算必须通过软件模拟的方式由CPU来完成，这种情况到1998年8月GeForce 256面世后终于得到了极大的改善，NVIDIA在推出这款具有划时代意义的图形芯片的同时，还带来了全新的GPU（图形处理器）概念。GeForce 256具有硬件T&L（几何转换和光源处理）引擎，可独自完成建模和光照运算，大大降低了CPU的负担，显卡的3D效能也获得了突飞猛进的提升！

　　尽管GPU的出现让CPU减轻了负担，但近年来GPU除了工艺水平的改进、频率的提升、管线的堆叠之外，产品自身并没有实质性的变革，CPU仍要负责图形相关的物理运算工作。GPU从技术的百家争鸣到现在的两强争霸，我们似乎能看到的3D技术的实质进步越来越少，单调的速度和规格的提升越来越让消费者感到疲惫，似乎真有必要出现一些技术“兴奋剂”来重新唤醒人们对技术的激情。正是应验了这句老化“伟大的变革总是在悄无声息中酝酿发生”。

 Ageia CEO：Manju Hegde

　　在05年游戏开发者论坛（Game Developers Conference, GDC）上，一家名不见经传的美国半导体设计厂商Ageia发表了世界上第一颗采硬件加速物理运算处理器（Physics Processing Unit, PPU）“PhysX”，有了它在3D游戏和应用中我们可以看到更多真实的物理运算过程。这带来的好处是3D环境中的事物将无比真实，其运动将遵循物理定理而不是按事先指定好的一种或者多种方式进行。可以说，更多的物理运算的加入，可以让3D世界变成真正的世界，开篇中我们提到的问题将可能会迎刃而解。

　　Ageia公司推出的PPU能将现在最优异处理器模拟物理特征的物体个数从30—40个拓展到40000到50000个，当我们看到这样悬殊的数字对比时，就会明白我们为什么要去关注它了。

●名不见经传的Ageia

　　首先我们有必要了解一下Ageia这个名不见经传的情况。Ageia公司的创始人一共有五位，他们是在美国一家名为MinMax technologies的半导体设计公司们共事相识的。当时团队研发了业界第一块基于网络处理器的大型交换机，当完成这个项目后，他们几个人聚在一起决定开创自己事业，于是就有了现在的Ageia公司。新公司首先研发了业界首款三芯片10 Gps数据处理能力的网络处理器，接下来他们决定尝试一些能带来更大影响力和革命性的东西，于是就有了今天的“PhysX”。

●究竟什么是PPU？

　　物理处理器是英文Physics Processing Unit的直译叫法，英文缩写为PPU。它是一种专门设计的用来加速物理模拟算法执行的处理器产品。它能加速的模拟算法包括刚体动力学、碰撞检测、流体模拟、软性物体和物体破裂模拟。通过这种硬件设备，我们能将现在计算机系统的中的处理器从其不擅长的物理模拟和人工智能算法中解放出来，让CPU、GPU和PPU各自负责自己在游戏中最擅长的部分。PPU使得游戏角色和整个游戏场景有尽乎自然的交互性，把游戏画面呈现的物体都可以尽乎自然的方式进行操纵和影响，想想那会是怎样的一种游戏体验。

 通过PPU实现液态的真实变形

　　如果CPU是为了达到更快的运算速度，GPU是为了达到更好的图像效果，那么PPU就是为了使游戏更加真实。在以前的3D游戏中，大多数的背景和物体都只是一些死死的贴图效果，毫无真实感可言。而在去年发布的FPS游戏大作Half Life 2（半条命2）中，游戏开发商就给了玩家们一个非常真实的物理世界。你可以在游戏中捡起一个废纸盒，然后把它抛向远处，然后可以看见它撞击到墙壁以后反弹到上地面上，溅起一阵灰尘。接近于真实物理效果使得游戏不再是由一个个的贴图组成，任何物体都是可移动的，它们都遵守着游戏中的物理参数，组成了一个“真实”的游戏世界。

　　此外，相信用3DMark03测试过显卡性能的玩家都记得，在3DMark03测试画面中有这么一个场景：在树木茂密的大自然中，阳光普照，有河流和各种植物，十分漂亮。在这个场景中，画面由河流转入到岸上场景以后，大家会发现帧速下降得非常厉害，性能较好的显卡大概可保持在每秒20～30帧，而低端显卡的表现就有些惨不忍睹了。这时就需要一个专门的PPU来接管这些物理计算任务。iD Software Jhon Carmack曾说过：“我们仍然在做一些基础琐碎的事，未来的游戏将模拟天气，模拟流体，模拟空气中的粉尘……”，从中可以看出物理模拟的现实发展可行性和紧迫性。

　　实际上PPU完全不同于现有CPU/GPU的新硬件，它是作为两者的补充要素出现的：GPU设计的目的是以高度并行化的流水线设计进行高效率的3D转换、生成实时光照效果、物体转换以及渲染和输出，所以GPU可以看作是解决物体视觉呈现问题的硬件。与此对应，CPU是以通用目标处理为设计目标的设计，它能通过广泛的软件获得绝大多数应用的，但是所有的应用都得不到最优化的设计，自然也达不到最高的性能比。

 CPU、GPU和PPU的三角关系

　　其实了解这三种处理器的异同的最好方式是了解它们是如何和游戏引擎产生交互的。像CPU 这种设备主要是思考游戏怎么对于玩家的操作产生反应，而PPU 的设计是为了表现真实的游戏世界和玩家的操作怎么去影响这个虚拟世界。

　　从另一种观点来看，CPU的设计是一种开放的，具有高度灵活性的计算引擎，它提供给程序员一个能快速开发各种应用程序的平台，而PPU和GPU则是专门研发用来执行特定应用的处理器，它们能在自己特定算法的执行能力上大大超过CPU所能提供的性能。

　　PPU的处理技术和GPU是完全不同的两个运算概念，因为物理运算需要十分强大的整数及浮点运算能力，而将以上这些分离出来交由PPU负责是PPU架构的最大优势，这意味着未来3D运算也将从现有的CPU、GPU配合的方式变为CPU、PPU和GPU三者共同协作。而PPU的概念也是基于这一点，它将原本使用软件技术并通过CPU运算处理的物理反应计算再提取出来，给专门负责物理运算的芯片来处理。

　　比如在模拟一个大石头滚下山坡的场景时，现有的双核处理器只能处理800～1000块石头互相碰撞、反弹、急冲的景象，无法展现出更广阔的场景。而PhysX处理器专门针对这类运算设计，处理能力远远超过CPU。在模拟上述场景时，PhysX至少能同时模拟4200块石头同时滚下，而在运动的过程中，每块石头都以不同的物理条件自由下落，石头会因为高度、速度、重力及撞击而改变运动规则，它创造的完全是一个“真实”的客观世界。

　　既然需要拥有如此强大的物理运算能力，那么拥有强大性能的双核CPU是否会更少依赖PPU的工作呢？而Ageia则认为PPU的作用是无法替代的。Ageia公司还表示说这远非PhysX的性能极限，在改进驱动程序之后，PhysX可将模拟的石头数量提高到惊人的32000块。可以说，PPU使游戏不再是由一个个的贴图组成，任何物体都是可移动的，它们都遵守着游戏中的物理参数，组成一个“真实”的游戏世界。

　　在了解了PPU的强大实力后，我们来将目光投向Ageia PhysX这里芯片上。

　　据Ageia公司介绍，PhysX PPU的晶体管总数达到1.25亿个，功耗25W左右，采用130nm制造工艺，而其核心面积也达到182mm2。PPU卡采用PCI-E或者PCI接口。和显卡一样，由于要涉及到大规模的数据运算和处理，PhysX也搭配了128MB的GDDR3显存，所以说物理加速除了没有视频输出接口以外，外观上和显卡的区别并不大。

　　PPU将接管游戏当中所有的物理计算，PPU每秒可以生成32000～50000个粒子或者刚性物体，现在的处理器＋物理引擎每秒可以生成几百个粒子或者刚性物体。

     由于Ageia本身没有晶圆工厂，因此PhysX PPU芯片将可能交由台积电（TSMC）来负责生产。今后Ageia也将会寻求板卡制造厂商来生产搭载PhysX PPU芯片的PCI Express ×1或×4接口（或普通的PCI接口）板卡。玩家只要将这一具有物理运算处理功能的板卡安装至计算机上的兼容接口上，通过特定的API（应用程序接口）或SDK（例如NovodeX物理引擎），玩家便可在游戏中享受硬件级加速物理反应运算的好处。

　　Ageia公司CEO先前在接受采访时表示：“我们现在正在广泛联系高端OEM厂商、主板生产商、显卡厂商、笔记本厂商以及其它很多的企业，通过它们把采用我们PPU的产品带到游戏玩家手中。目前，已经有多家厂商对PhysX PPU表现出了浓厚兴趣，其中包括华硕、BFG和Club3D等都已经推出了样卡，让我们一起来看看。

　　不久前，PCPOP全球独家抢先拿到了PhysX物理加速卡的实物照片，一起来看看这款具有革命性意义的产品到底什么样子吧。

　　这款BFG PhysX物理加速卡样品采用了PCI接口，具备128MB的本地显存，需要额外的电源接口进行供电。据了解，该显卡将在今年底左右正式上市，预计价格为199美元。

　　华硕极有可能在今年底或明年初正式推出全球首款物理加速卡（PPU扩充卡），官方型号为PhysX。从游戏演示片段看来，目前所有游戏中都无法实现的流水、雾气、自由碰撞等大量粒子效果，都能透过华硕PhysX的实时运算展现惊人的平顺画面和惊人的逼真特效，和现有的游戏效果有天壤之别。

 产品照片仍为工程样品，日后的外观及规格可能会有所不同

    目前看来这张卡会是PCI接口，具有128MB的显存，还有一个外接的电源接口。因为不是显卡，所以并没有任何的显示输出接口。

    华硕这款最新的物理加速卡所采用的AGEIA PhysX芯片是全球先进款也是目前唯一的一款专注于物理处理的单元，而AGEIA公司正是这款新的物理处理芯片的创新者。

    华硕依靠其在板卡领域的巨大研发实力成为AGEIA公司这项新产品的全球合作伙伴，华硕也将是中国精品制造和销售这款物理加速卡的品牌，由此可以肯定，AGEIA公司希望借助于华硕强大的技术实力和生产销售能力，来推广这款物理处理芯片。

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　　PPU物理处理器算是游戏界一个全新的概念，这也是一个必然的趋势。虽然PhysX的性能强劲，但是否能得到广大游戏开发商的支持，也是广大玩家们最为关心的。

　　为了给游戏开发商提供便利，Ageia公司准备了NovodeX SDK开发包来完成这个使命。该软件不但包含了业界先进的Novodex物理模拟引擎，而且它还可以作为现在主流的的3D建模开发工具以及微软的XNA开发工具的插件运行，开发人员只要通过拖放和点击就能完成对目标施加物理模拟效果，这对于任何专业的开发人员将都不是什么难事。

 应用了NovodeX Physics SDK的第一款UE3游戏RoboHordes

　　目前已经有包括SEGA、Ubisoft和EPIC等三家公司率先表态支持这一新技术，其中EPIC公司甚至表示将把该技术整合到他们开发中的次世代Unreal 3.0引擎上。Unreal 3.0引擎也是Xbox360主机的指定3D引擎工具，由此可以看出微软对PhysX的前景是十分看好的。同时在E3大展上，索尼也表示了对PhysX的支持，看来物理处理器将很可能成为下一代3D游戏平台的主流配置。

　　著名的游戏开发商Ubisoft也表示将在下一代的游戏中采用Ageia的PPU技术，并提供对PhysX物理加速卡的支持，这些游戏包括：Rise of Nations：Rise of Legends（国家的崛起：崛起传奇）、Ghost Recon 3（幽灵行动 3）、City of Villians等等。

　　虽然Ageia PhysX PPU的到来可以说是一场革命，并且已经得到不少游戏、硬件厂商的支持。但由于迟迟没有真正支持的游戏发布，加之公司近来接连发布PhysX延期的消息，使得很多人对其前景PhysX表示担忧。

　　由于游戏内容缺乏，Ageia决定把PPU延期推出。PPU物理处理器是Ageia针对PC游戏物理计算加速推出的芯片产品。Ageia公司的合作伙伴如ASUS华硕和其它总部在美国的nVIDIA合作厂商决定将PPU卡延期到2006年第一季度推出。

　　Ageia的PPU芯片和相应的PPU卡在今年5月份就完成研发，Ageia在今年E3大展上展示过一款PPU卡实物，但是除了demo演示之外，目前市场上还没有一款PC游戏支持PPU。
 
　　目前消费者很难买到PPU卡，更别说支持PPU的PC游戏。Ageia正在努力劝说游戏开发者在游戏当中加入对PPU的支持。但是这样将造成游戏开发时间过长。目前游戏开发者已经知道PPU延期的消息。

　　消费者无法在今年圣诞节买到PPU卡，PPU很可能在明年2月份推出，但是也有可能在2月之后，Ageia没有透露PPU更进一步的计划。

　　除了游戏配合还不到位外，PhysX PPU还面临着另一大难题就是价格。

　　Ageia方面表示PhysX的价格大约会在100～400美元之间，显然这个价格不是绝大数玩家所能承受的，它已经和一块优异显卡的价格相当了。相信极少有玩家会因少数几款游戏而花重金去购买PhysX，这正是PPU发展道路上一个比较棘手的问题。

　　尽管遇到这样那样的困难，但Ageia的开发人员对于PhysX前景还是非常乐观的。公司CEO表示，现在PPU的出现和其对游戏产业带来的影响我觉得就好像是上个世纪90年3D GPU的翻版。回想当年GPU出现打破了三维场景的渲染和显示一直依靠软件实现的传统 ，运用特殊设计的构架大大加速增强了电脑处理此类应用的功能。此后，游戏画面的质量飞速提高，几乎每一款游戏大作都会加入最新的3D技术来增强自己的卖点。

　　同时由于3D GPU的广泛应用，CPU在3D游戏中作为渲染作用的性能开销几乎没有了，但是有趣的是，随着游戏图形内容的不断提升，CPU处理游戏在物理交互环境模拟，AI人工智能、游戏逻辑的需求也高速增长，这种相似的现象就催生了像PPU这种产品的出现，只有三者之间的组合才能给游戏玩家们提供引人入胜的体验，我们所做的就是能把这种体验的成本控制在什么范围内，只要到了大家能接受的程度，这个市场就能起飞。

　　有读者可能会问，显卡老大NVIDIA和ATI对于Ageia是什么态度呢？会不会将其收购？这个问题Ageia公司CEO回答模棱两可，他表示，我们自己到没有过多的考虑这个问题，不过我们能够明确现在自己最重要的目标是让游戏业界和玩家们接受这个新生事物，并且把PhysX处理器真正的推向市场。我们的长期目标是让公司上市。

　　变革的路途一定会布满荆棘，Ageia所要面对的困难还很多。对于任何新事物，人们都会有一个从陌生到熟悉的过程。PhysX作为物理加速卡的开山代表之作，不管其今后是否会成功，都值得我们记住。<