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3D加速後又一全新理念

3D顯示卡的誕生讓人們可以透過顯示設備領略到「十分真實」的畫面，在1996年，幾乎所有市面上出現的顯示卡產品都宣稱擁有一定的3D處理能力，不過當時它們大多只是透過顯示卡晶片完成常規畫面渲染工作，而3D場景模型構建和光線效果運算都是透過專門的軟體算法由CPU來處理。包括當時的API也沒有統一的標準，實際的3D效果可謂十分有限。不過1997年，隨著第一塊3D加速卡Voodoo的問世，人們才終於領略到真正的3D遊戲畫面。在那個只靠CPU來完成大量圖形計算的時代，Voodoo讓人們見識到了3D加速技術的魅力，各種濾鏡效果、性線過濾、抗鋸齒等3D特效技術把3D遊戲的畫面提高到了一個全新的層次，人們也才清楚3D加速的概念。1998年第一款GPU晶片GeForce256出現後，其內置的硬體T&L（幾何轉換和光源處理）引擎，可以直接完成場景構建和光線運算，大幅提升了顯示卡3D性能並降低了CPU的負擔，從此人們有了完整的3D加速引擎的概念。這一次3D加速革命，也為圖形處理技術的發展指明了方向，同時也造就今天的nVIDIA、ATI等著名廠商。

但是，從此之後顯示卡就再也沒有什麼革命性的進展。在這漫長的10年之中，一代又一代的顯示卡晶片除了頻率不斷提升、製造工藝改進、渲染管線增加之外，並沒有任何質的改變。只是從架構上來看，即便是目前最高階的7900GTX和X1900XTX，在架構上和他們的老前輩也並沒有什麼區別。

而現在的大型3D遊戲中，為了使遊戲的畫面更加的真實，開發人員就會在遊戲中設計許多接近現實的物理計算，例如：自由落體、物體運動、空氣流動、力量反饋以及各種物體間碰撞等等。但是在傳統的電腦中，遊戲的物理運算基本上是透過物理引擎加上CPU處理後的物理參數後再反饋到遊戲之中，這種方式往往在遇到大規模的物理運算時就會出現運算瓶頸，這也就造成了遊戲中一旦出現大量物理運算時，FPS就會明顯下降。那麼如果來解決這個問題呢，在Game Developers Conference （GDC）2005遊戲開發者大會上，一家來自美國的半導體生產廠商AGEIA給我們一個非常好的答案—PPU。

　

PPU—物理加速引擎

PPU—Physics Processing Unit（物理運算處理器），如果CPU是為了達到更快的運算速度，GPU是為了達到更好的圖形效果，那麼PPU就是為了使遊戲更加真實。在以前的3D遊戲中，大多數的背景和物體都只是一些靜態的貼圖效果，真實感較差。而在FPS遊戲大作Half Life 2中，Havok物理引擎帶給了玩家們一個非常真實的物理世界。你可以在遊戲中撿起一個廢紙盒，然後把它拋向遠處，然後可以看見它撞擊到牆壁以後反彈到地面上，再濺起一陣灰塵。接近於真實物理效果使得遊戲中任何物體都是可移動的，它們都遵守著遊戲中的物理參數，組成了一個「真實」的遊戲世界。

PPU的出現可以說為圖形處理技術的指明了新的方向，顯示卡並不再是像以前一樣只是單一的工藝進步、頻率提升、管線堆疊，而是需要採用不同方式的處理技術。加入了PPU負責單獨的物理運算後，GPU便可以專心負責進行圖形的渲染和顯示，CPU則進行兩者之間的綜合協調。PPU的出現將物理計算和圖形處理分開運算可以創造出更加生動和真實遊戲環境，這可能引領新一輪的3D技術革命。而玩家也將體驗到像電影中一樣的壯觀場面，各種物體爆炸、撞擊、建築物倒塌等等。有了PPU的輔助以後，可以很輕鬆的實現各種複雜的碰撞或者運動效果。這種小到一粒沙也會因為空氣的流動而移動的場面，令遊戲的可玩性、真實性是以前傳統的任何一款3D遊戲難以比擬的。

但是同時PPU有著和GPU完全不同的內部架構，PPU將擁有軟、固質體動力，泛用碰撞偵測、有限元素分析、流體動力、毛髮模擬、布料模擬等技術特效。PPU的這些處理技術和GPU是完全不同的兩個運算概念，因為物理運算需要十分強大的整數及浮點運算能力，GPU的性能則是將重點放在了畫面的渲染效果上，追求單純的視覺效果，而PPU所強調的是「真實性」。

如此真實的表現真是令人期待，下面我們就先來瞭解一下全球首款硬體加速物理運算處理器，來自AGEIA的PhysX。

　

PhysX橫空出世

2005年3月19日，美國晶圓半導體廠商AGEIA於遊戲開發者論壇（Game Developers Conference, GDC）上發表了全球第一款採用硬體加速的物理運算處理器（PHYsics Processing Unit, PPU），同時將其命名為PhysX。AGEIA稱它將會出現在下一代包括PC和遊戲主機中。

AEGIA在發佈PPU時這樣解釋：以90年代末被稱為GPU的圖形處理器為例，早期複雜的3D圖形往往需要透過軟體配合CPU的運算才能得以實現，而GPU的出現正好接過了CPU的這部分工作，我們的PC開始透過GPU完成對3D圖形的運算，當然它並沒有完全脫離CPU。AEGIA認為GPU的出現降低了CPU的工作負擔，同時為用戶提供了更加完美視覺效果和圖形效果，而PPU的出現也是如此，它將原本必須依賴軟體技術並透過CPU的運算才能完成的工作交給專門負責物理運算的硬體來完成，這樣，PPU開始向CPU、GPU一樣進入我們的PC。
　

遊戲性能三種重要因素：CPU、GPU和PPU（物理運算處理器）。
　

PhysX在遊戲畫面上帶來一些較為顯著的改變包括：

由於爆炸所引起的煙塵和碎片的效果
透過製造更加複雜、節點更多的幾何圖形來形成更為逼真、交互性更強的動作
包括人物的服裝、眼淚等細節都會和真實的場景一模一樣
當風吹過衣物、或者樹葉之類時，物體會呈現出自然的擺動
環繞在物體周圍的濃煙以及塵霧將會形成一種運動的效果

在今年的E3大展上，AGEIA也首次公佈了PhysX的PPU Demo，在第一個Demo場景中，約有4200個多邊型石塊從一個山坡上滾下來，在運動的過程中，每塊石頭都以不同的物理條件自由下落，石頭會因為高度、速度、重力及撞擊而改變運動規則，它創造的完全是一個「真實」的客觀世界，不再是以前遊戲中每個物體的移動都是按照計算好的路線進行運動。既然需要擁有如此強大的物理運算能力，那麼擁有強大性能的雙核心CPU是否可以減低對PPU的依賴呢？AGEIA則認為PPU的作用是無法替代的。因為目前的CPU在遊戲中可以處理1000個左右可自由移動的多邊型物體，而目前的PPU可以達到32000個，如果驅動程式升級改進以後，可以達到40000～50000個。所以說PPU在遊戲中物理運算的重要地位是難以替代的。

　

關於AGEIA

在05年GDC上，一家名不見經傳的美國半導體設計廠商Ageia，發表了世界上第一顆採硬體加速物理運算處理器（Physics Processing Unit, PPU）「PhysX」，很快在世界上引起了一場物理加速的軒然大波。

AGEIA的計劃主要推廣該公司的軟體產品physics API，該軟體起初被稱之為Novodex，但是後來被更名為PhysX。

根據AGEIA公司的設想，PPU和CPU以及GPU的關係成為一個相輔相成、共同運算的關係，由於PPU能夠代替CPU進行大部分的物理計算任務，因此可以使得處理器能夠更加快速得與GPU進行數據交換從而使得遊戲運作更加平穩。

為了給遊戲開發商提供便利，AGEIA公司準備了NovodeX SDK開發包來完成這個使命。該軟體不但包含了業界先進的Novodex物理模擬引擎，而且它還可以作為現在主流的的3D建模開發工具，以及微軟XNA開發工具的Plugin運作，開發人員只要透過拖放和點擊就能完成對目標施加物理模擬效果，這對於任何專業的開發人員將都不是什麼難事。Ageia早先表示只要遊戲開發商支援PhysX物理卡，就可以免費使用PhysX物理引擎和其它相關的技術支援。這吸引了許多一線遊戲包括《火線獵殺 3：先進戰士》、《X戰警2》、《City of Villians》等的開發商，UT第三代遊戲引擎也將支援PhysX物理卡並使用PhysX引擎，這意味著將來眾多使用UT引擎的遊戲都將同時支援PhysX。

Ageia公司的創始人一共有五位，他們是在美國一家名為MinMax technologies的半導體設計公司共事相識的。當時團隊研發了業界第一塊基於網絡處理器的大型交換機，當完成這個項目後，他們幾個人聚在一起決定開創自己事業，於是就有了現在的Ageia公司。新公司首先研發了業界首款三晶片10 Gps數據處理能力的網絡處理器，接下來他們決定嘗試一些能帶來更大影響力和革命性的東西，於是就有了今天的「PhysX」。

　

物力加速的全盤解決方案

隨著遊戲畫面的發展、電腦AI的更加複雜化，再加上物理運算已經使CPU不堪負荷，因此業界除了AGEIA外，其它一些有實力的廠商當然不會作壁上觀。目前業界的解決方案有3種，第一種就是物理引擎專業商Ageia製造獨立的PhysX物理加速卡，第二種是Nvidia同Havok協力研究的「SLI物理卡」加速技術，第三種則是ATI在加緊研究提高其顯示卡的物理運算能力，三種方案雖然都能夠提供物理加速，但是在技術上又有很大不同。

Ageia推出革命性的PhysX物理卡並制訂了長遠的計劃來同時發展軟體的PhysX物理引擎和硬體的PhysX物理卡。軟體的PhysX物理引擎在PC、PS3和XBOX360上都有廣泛運用，例如《Half-Life 2》中運用的rag dolls（布娃娃）物理引擎等。

硬體的PhysX物理卡則是IT業界的一項革命，獨立的物理卡要比CPU和GPU模擬物理運算更快更專業，先前Ageia用PhysX物理卡展示了一款8人對戰遊戲，遊戲中有數百個目標，你可以把它們移動、毀滅，每一個物體的位置、外型並不是事先設計好，而是實時運算出來的。同時計算數千個物體的活動軌跡和破碎畫面，過去是CPU和顯示卡所無法負擔的。
　

物理加速—NVIDIA篇

NVIDIA提出了「SLI物理卡」的概念，這項技術由NVIDIA和Havok共同研發。Havok是一家專業的物理引擎設計公司，許多著名的遊戲如Half-Life 2、F.E.A.R、Halo 2等都使用了Havok物理引擎。去年10月，Havok宣佈最新的物理引擎Havok FX即將完成，這也正是NVIDIA 「SLI物理卡」的技術基礎。

Havok FX物理引擎是可以讓任何支援Shader Model 3.0的顯示卡，大力提高物理運算能力的開發軟體。現在Havok FX的BETE版已經面世了，正式版將於夏季發佈。Havok還沒有透露該API的詳情，但表示使用Havok FX技術後，NVIDIA顯示卡將可以加快電腦物理運算的速度。NVIDIA首席設計師David Kirk表示，讓GPU負責物理計算是適合的，目前GPU的速度和高可編程性完全可以兼顧物理運算。遊戲開發商透過GPU上各種高級的可編程資源，在GPU上進行並行模擬運算得到了良好的結果。

目前NVIDIA正在與Havok共同研究Havok FX引擎與顯示卡的兼容性。雖然Havok FX只需要一塊顯示卡就可以執行，但NVIDIA希望研究出基於SLI技術的更強物理引擎：2塊NVIDIA顯示卡透過SLI主機板互連，在不需要太多物理運算的遊戲中以普通SLI模式執行；在需要大量物理運算的遊戲中則劃分一塊顯示卡專門負責物理運算，或者由2塊顯示卡動態分配任務。

顯然NVIDIA計劃借此次物理卡的浪潮同時擴大在主機板、顯示卡、物理卡3個領域的影響力，因為要實現「SLI物理卡」必須購買2塊NVIDIA顯示卡和1塊NVIDIA SLI主機板，而不需要Ageia的PhysX物理卡。

　

物理加速—ATi篇

Havok FX只需要支援Shader Model 3.0的顯示卡，而不是僅為NVIDIA顯示卡可用。所以ATI將來也可以同樣提出基於CrossFire的互連方案。ATI稱其在動態渲染管線分配技術的領先、與Microsoft在DX10技術的緊密聯繫等優勢會讓ATI比競爭對手更強大。
　

ATI稱其R520和R580架構本身具備物理處理功能，該功能可以透過軟體方式達到。不久ATI就會給各軟體開發商提供新的API以改進Pixel shader，新的DPP（並行數據處理）技術將使顯示晶片繞過Direct3D API，同步處理物理數據和pixel shader數據。ATI稱這一改進將在讓GPU加強物理運算能力的同時還可以大量提高GPU運算所有浮點指令的速度，這一多用途的改進方案將使ATI顯示卡在流體處理、視頻處理等多方面受益。

Havok FX將物理數據轉換為Direct3D數據，從而使任何Shader Model 3.0顯示卡都可以直接運算。而ATI的最新API可以讓開發商使用GPU來加強運算多種物理或浮點數據，從而直接運算物理數據。開發人員可以開發出多種軟體使顯示卡加強不同能力來應對不同運用。這種高自由的開放性API使它受到了歡迎。但是ATI的這一方案也需要專門的開發團隊支援，如果是擁有Havok FX的廠商會比較方便，而沒有Havok FX的廠商就只有自己設計複雜的轉換程式了。

　

Physx全新面世

現實之中的PhysX晶片PPU子卡經過去年的跳票之後，終於將要開始面市了。上一次Ageia公司跳票的理由是支援PPU的遊戲並不多，應用不夠豐富。而現在已經有包括SEGA、Ubisoft和EPIC在內的多家遊戲公司表示了對PPU的支援，目前已經有包括《王國的興起：傳奇再現（Rise of Nations: Rise of Legends）》、《火線獵殺2（Tom Clancy's Ghost Recon 2）》、《暫譯：惡徒之城（City of Villians）》、《魔域幻境之浴血戰場2007（Unreal Tournament 2007）》等多款遊戲正式支援PPU加速子卡。

目前被授權生產物理加速卡的只有只有華碩和美國BFG兩家，目前影馳已經獲得了BFG的正式授權，在包括中國大陸，香港，韓國，日本等亞洲地區開始銷售BFG的Ageia PhysX卡。

PPU前景展望

雖然PhysX的性能強勁，但是能否得到廣大遊戲開發商的支援就尤為重要了。AGEIA在發佈PhysX物理處理器的同時也發佈了Novodex SDK軟體開發包，這款SDK也是全球第一部異步（多線程）軟體開發包，可以充分發揮多核心處理器的優勢。而著名的EPIC公司甚至表示會把AGEIA的這項技術整合到它們的所開發的次世代Unreal 3.0引擎上，而Unreal 3.0引擎也是Xbox360主機的指定3D引擎工具，可以看出微軟對於PhysX的前景是十分看好的。同時在E3大展上，SONY也宣佈它的次世代主機PS3也會和Xbox360一樣提供對PhysX的支援，看來物理處理器已經成為下一代3D遊戲平台的主流配置。

《UT2007》PC版遊戲內建了對Ageia物理卡的支援，這就意味著遊戲效果將更加驚人。

而著名的遊戲開發商Ubisoft也表現將在下一代的遊戲中採用AGEIA的PPU技術，並提供對PhysX物理加速卡的支援，這些遊戲包括Rise of Nations：Rise of Legends、Ghost Recon 3、City of Villians等等全新遊戲。而目前另一款支援物理加速卡的遊戲馬上就要和廣大的遊戲玩家見面了，它就是由英國的遊戲開發商Digital Jesters發行的Bet on Soldier，這是一款非常獨特的第一人射擊類遊戲，此款遊戲提供了對64位技術和物理加速卡的支援，相信遊戲發行之時，一定會帶給大家一種全新的遊戲感受。

看來PhysX的表現還是得到了廣大廠商的認可，現在唯一需要的就等待更多的支援物理加速的遊戲大作了。

開創新時代

相信PhysX物理加速卡已經給大家留下了深刻的印象，透過它我們可以在遊戲中感受更多的真實物理效果。其也將給未來遊戲帶來全新的體驗，3D遊戲中的運動將不再是按照預定的方式進行，而將是透過遵循多種運動定律的運算得到。而在沒有PPU的系統中，哪怕你使用的是最為昂貴的顯示卡，你所看到的場景將是一成不便的缺乏變化。

現在對於PPU的推廣來說最大的因素有兩個：
第一就是其價格。目前PPU價格在300美元左右，已經和一塊高階的顯示卡相當。但是相信對樂於享受最佳遊戲效果的玩家，PhysX仍然會成為首選，因為對於他們頂級的配置，PhysX物理卡的價錢占總體開支還算合理。不過對於大眾階層，目前必然很難接受。

再者就是遊戲的支援。用戶是否需要購買物理卡最終是取決於遊戲的，這一情景和十年前顯示卡的獨立非常相似。當時的Quake全新3D畫面使玩家認識到顯示卡的重要性，而現在，支援獨立物理運算的遊戲在畫面上也將再一次出現大躍進。如上面測試中畫面對比，在擁有PhysX物理卡的模式中，人們將會得到完全真實的世界，這種變革甚至不亞於10年前2D至3D的革命。

最後我們引用一段十年前媒體對Voodoo顯示卡的評價：
「Voodoo 顯示卡在設計上可以說是獨一無二，作為一張3D子卡，本身不包括任何2D輸出能力。根據執行程式的支援，自動切換到子卡上執行輸出。業界的許多廠商，包括微軟都懷疑人們是否真的願意為改善遊戲體驗而為高達500美金的純3D顯示卡買單。而1996的春季儲存器市場的巨跌無疑是老天對3Dfx公司的眷顧，最終Voodoo子卡以大約300美元的價格開發發售，市場的熱銷表明該產品真的成功了。」

AGEIA正在努力去創造出一種全新的遊戲環境，而它也將這種改變稱為Gaming Power Triangle（遊戲性能鐵三角），即CPU+GPU+PPU！