游戏图像的3D化曾经催生了3Dfx Voodoo系列3D加速卡，最终产生了被称作GPU/VPU的3D图形处理芯片，令游戏画面表现力获得了日新月异的发展。而今，玩家和游戏设计师对于游戏中的互动体验开始抱有更多的渴望，这些全新的游戏体验又将依赖于怎样的新技术呢？

再战3D——AGEIA PhysX物理加速卡面面观

　　时间退回到2005年3月举行的GDC2005游戏开发者论坛上，当时名不见经传的美国AGEIA公司发表了史上第一款物理处理器（PPU，Physics Processing Unit），它可用于PC游戏及次世代游戏机中，这款PPU被命名为PhysX。PPU技术方案的推出，可以说是3D加速卡诞生十年后，对互动游戏最具影响力的又一次革命性启示。从那时起一年后，第一张采用PhysX芯片的硬件物理加速卡面世了。

PPU：技术与性能的革新

　　在PPU面世之前，游戏中的物理运算并非不存在，但由于相关的运算工作都是交由CPU来进行处理，因而游戏中的物理引擎不可能对细致复杂的物理现象进行运算处理。长期以来我们很难在游戏中看到实时运算的长发飘动、柔韧布料、流体效果以及具备真实感的烟尘爆炸效果，皆是源于游戏中对物理效应简化处理的结果。
　　通过游戏图像从2D向3D跨越的历史可知，专用3D加速芯片Voodoo对游戏图像的革新起到了根本性的推动作用。由于获得了全新的3D渲染能力，大量的新游戏开始迅速转向采用硬件3D加速的图像引擎，Glide3D成为当时性能最好的3D API，直到微软的Direct3D及相应的低价普及型3D加速显卡自下而上，从市场产品、技术规格和性能三方面逐步成长并最终成为主流，GPU/VPU也顺应日益繁重的3D图像处理工作，确立了其在GamePC中的重要地位。
　　不难发现，游戏中物理运算的情形与3D图像加速有惊人的相似之处。他们最初都是由CPU进行处理，然而这种处理只能是兼顾和有限的。在PPU诞生之前，就如同硬件3D图像加速卡诞生之前一样，大多数玩家都难以想象有了PPU之后，游戏会变得如何不同，以及会比以往有怎样无法抗拒的魅力。但现实世界之所以拥有丰富多彩的现象，复杂的物理规律在其中起到了不可或缺的作用，物体的刚性与柔性、碰撞与扩散、变形与破碎……这些看似枯燥的因素，却构成了视觉上和体验上的极致冲击。随着PPU的诞生，游戏世界中也将迎来一场视觉与体验的革命。

挑战：CPU与GPU的夹击

　　AGEIA PhysX物理运算芯片的问世，将游戏中物理运算的应用水平推上了未来游戏发展新坐标的地位。作为现已问世的唯一PPU以及唯一的硬件物理加速卡，AGEIA PhysX物理加速卡虽然还没有成为GamePC中必备的组件，但关于PPU的技术理念和应用领域已经引起了包括Intel、AMD-ATI、NVIDIA等业界重要公司的高度关注，他们也发表了各自关于PPU的解决方案。
　　Intel延续其超线程及多核心CPU的技术，将CPU的多线程处理作为未来PPU解决方案的核心。由于物理双核、四核甚至未来多核心CPU的研发飞速发展，Intel认为其中的一个或多个CPU内核，完全可以作为游戏中专用的PPU来运用。Intel甚至声称多核心CPU将会“消灭”物理加速卡。
　　随着GPU技术的高速发展，AMD-ATI和NVIDIA对GPU/VPU的定位也都跨出了图形领域，将目标延伸到通用计算应用。
　　NVIDIA基于其成熟的SLI多GPU并联技术，以及GPGPU通用图形处理芯片的发展，提出以第二个甚至第三个GPU作为PPU的方案。NVIDIA GeForce8系列GPU支持基于GPU运算的物理加速技术“Quantum Effects Technology”，NVIDIA提供了名为“统一运算设备架构”（CUDA，Compute Unified Device Architecture）的SDK开发套件，提供面向GPU的低阶及高阶应用程序编程接口。
　　AMD-ATI也提供了类似的SDK开发套件用于ATI的GPU，它被称为“近金属”（CTM，Close to Metal）微硬件界面，同时AMD还发表了集CPU和GPU功能于一身的流处理器产品线。ATI通过与分布式计算项目Folding@Home的合作，成功进行了GPU计算版本的实践，在蛋白质折叠研究中充分发挥了GPU的高运算性能，为GPU担当PPU的职责进行了极具借鉴意义的探索。
　　支持这些解决方案的游戏开发环境之一，是一家名叫Havok的公司推出的同名物理引擎。它最早于2000面世，迄今已在150款以上的游戏中获得运用，其中包括知名的《帝国时代Ⅲ》、《半条命Ⅱ》、《英雄连》以及未来的《星级争霸Ⅱ》。最新版本的 Havok FX物理引擎将物理运算拆分为效果物理和游戏物理两部分，其中效果物理可利用AMD-ATI的CrossFire及NVIDIA的SLI多GPU技术，通过DX9.0C中的SM3.0指令将效果物理交由GPU处理。效果物理对游戏而言没有实际影响，游戏物理部分仍由CPU处理。

制胜：AGEIA PhysX之道

　　上述PPU解决方案也许都有其可行之处，但是否能够做好PPU的工作，还与处理器的内部架构及物理运算性能，以及物理运算开发套件SDK是否被游戏开发商广泛的、深度的运用密不可分。换句话说，多核CPU还看不出能替代GPU的工作，GPU也未能普遍替代CPU的工作，这说明简单的“原理”距离实用和高效还是有很大距离的。在关于PPU的两大重点上，AGEIA PhysX方案仍具备无可比拟的优势。
　　早在2005年中期，AGEIA就宣布针对PS3开发环境推出物理中间件（Physics-based Middleware），索尼娱乐SCE也出面与AGEIA签署协议，向PS3游戏开放商统一授权供应PhysX开发套件。很显然，PS3的Cell多核处理器被用于PPU处理，这从某种程度上证明了多核CPU扮演PPU角色的可能性。不过，Cell的设计不同于一般的通用CPU，由于具备多达8个高效能向量浮点运算单元（SPE，Synergistic Processor Elements），因此Cell比一般PC上的多核心/多处理器平台拥有更高的模拟运算潜能，从而可以支持所有级别的PhysX物理运算，与PC上的PPU加速芯片具备同等级的处理能力。Aegia资深工程师Thomas Lassanske也曾表示，配备PhysX物理加速卡的PC，也能进行与PS3同等级的物理模拟运算。
　　由于PS3平台对PhysX物理引擎的搭载，可以说是奠定了PhysX物理引擎在未来的成功基石。无数玩家期待着能真正发挥PS3机能的次世代游戏，寄望于他们能真正推动游戏世界的革新，而这其中PhysX物理引擎将会扮演重要的角色。在Xbox360平台上，PhysX物理引擎也被用于《战争机器》等知名大作中。此外，Aegia PhysX最知名的合作就是得到Epic公司虚幻3引擎(Unreal Engine 3)的全面支持，这款在未来大量次世代新游戏中被广泛采用的游戏引擎，将使得PhysX物理引擎有机会在决定性的游戏大作中展现风采。根据Aegia公司发布的正式公告，知名游戏制作公司BioWare也在其次世代游戏引擎Eclipse Engine中整合了PhysX物理引擎。在亚太游戏开发领域，韩国由于虚幻3引擎非常热门，因此将会有诸多新游戏运用PhysX物理引擎，而中国大陆现已有目标软件MMOFPS《铁甲前传》及金山公司MMORPG《剑侠情缘Ⅲ》打出了AGEIA PhysX物理引擎的标志。
　　针对竞争者以及消费者对GamePC中追加物理加速卡后新增成本的质疑。AGEIA新近大幅降低了PhysX物理加速卡的价格，在零售端的海外价格降至150美元，而对亚太地区特别是中国市场更有各种优惠策略，令其网吧直销价格甚至低至100美元，即降到人民币千元以内。这个成本与CrossFire或SLI多GPU方案相比已经具有一定的成本优势，且与系统搭配更为灵活。

实战：PhysX PPU游戏体验

　　如果让你回忆那些声称采用了Havok物理引擎的游戏有哪些显著的、令人印象深刻的物理特征，恐怕还真是不太容易描述。而运用了PhysX物理引擎的游戏在物理加速卡下的视觉表现，则可以说是相当惊人。不久前由Ubisoft蒙特利尔工作室研发的《幽灵行动：尖峰战士Ⅱ
》（Ghost Recon: Advanced Warfighter 2）上市，延续其第一代对PhysX物理引擎的运用及对硬件物理加速卡的支持，GRAW2中会自动侦测PC的软硬件环境，并分三个等级对PhysX物理引擎进行运用。
　　本作特别包含了一个AGEIA Island的岛屿关卡，其中充分运用了各种物理特效，可以说是迄今为止最能体现物理加速引擎效果的实战场景。要想开启这一关卡，系统中就必须安装PhysX物理加速卡。不过当游戏侦测到物理加速卡并开放这一关卡后，我们仍可以尝试以Normal方式进入这一关卡，但这样进来也仅如普通关卡中的效果一样。而当我们以PhysX High及PhysX Extreme模式进入关卡，会立即发现整个场景的动态空前的丰富，包括海风之中大量的树叶飘动及椰树的摆动效果，你甚至可以射落椰果看着它掉落下来摔成两半，最后，你还可以扔个手榴弹，享受绝对惊人的爆炸破片效果。
　　我们通过PLAY!LAB的顶级测试平台，在C2D X6800处理器、DDR2-800 2GB内存及NVIDIA GeForce8800GTX的核心配置下，再安装了一片AGEIA PhysX物理加速卡，在GRAW2中对其进行了测试。
　　如果未安装物理加速卡，GRAW2就只能以Normal模式运行，此时它会通过CPU运算方式进行PhysX物理引擎的处理，游戏中依然可以看到剧烈的爆炸、火焰扭曲和物理破坏效果，但其对CPU的运算能力要求很高，而且游戏过程中CPU的负载和功耗也是最高的，我们的整个测试系统在游戏爆炸特效时的峰值功耗为316W，游戏中普通行进时的功耗也在265W左右。
　　如果系统安装了PhysX物理加速卡，且CPU为双核，GRAW2默认会以PhysX High模式运行。在此模式下PhysX物理加速卡会承担大部分的物理运算，CPU的负载大为降低，这体现在同样的两个游戏状态下，整个测试系统的功耗降到爆炸时峰值功耗295W，平常250W左右的水平。在画面帧速率上，它的速度比Normal模式略低一些，但场景中的粒子效果更丰富，物体飞溅跌落时的动态也更为真实。
　　尽管GRAW2说明文档中强烈建议双核CPU使用PhysX High模式以确保性能，但我们还是在PhysX Extreme模式下进行了相同的测试。这一模式将体现最为复杂和丰富的物理特效处理，我们发现画面帧速率有较明显的下降，但CPU的使用率与PhysX High模式下相比反而略低一些，通过功耗监测也能看到，整个测试系统在爆炸时的峰值功耗进一步降低到253W，平常状态则为245W。看来PhysX Extreme模式应该是将所有的物理运算都交给了物理加速卡上的PPU进行处理了，但以目前第一代PPU的处理能力，承受极致状态下的复杂物理运算量似乎还比较勉强。

综述

　　通过对物理引擎的简要剖析，以及对AGEIA PhysX物理加速卡系统的初步实测，可以看到PPU确实显著分担了大量的CPU物理运算量。而且从PPU接手相关运算后系统整体功耗显著下降，即可知道PPU的物理运算效能大大高于CPU，真正体现出物理运算“加速”的效果。那么，怎么看待开启物理加速后游戏帧速率下降的现象呢？很容易理解，PhysX High / Extreme模式下高度复杂的物理运算，远比Normal模式下简略的物理运算工作量要大得多。而第一代PPU带来的运算能力的增量，还无法抵消特效开启后大量物理运算工作的增量。换句话说，PPU其实并不是为了帮助CPU和GPU“提高”游戏帧速率，它的终极目标应该是努力确保新增的物理运算“不会降低”游戏的帧速率。要知道，这些新增的物理运算，显然是目前的CPU和GPU都无法有效消化的负担。更重要的是，正因为有了PPU，游戏中才首次出现了令人可以切实感受到的“真实”。■（文/游骑）

目前为止只有Ageia能够提供完整的物理加速方案（开发平台/软件/硬件/游戏），Ageia拥有物理加速卡成品在手，是物理加速领域的先驱和专业标准。 ATi宣称的领先物理性能是建立在Radeon芯片的浮点性能上，但是这不是衡量物理性能的标准。物理计算需要比浮点计算更多的东西。图形处理器只是为图形设计，物理加速是完全不同的环境，牺牲图形性能照顾物理加速不会获得游戏开发者青睐。ATi口号“Boundless Gaming”应该归于AGEIA的physX处理器。