Совсем недавно вышла Resident Evil: Requiem, которая сейчас вовсю хайпует. Капкомовцы, конечно, молодцы: умеют в сотый раз рассказать то же самое, что было в прошлых играх. К сюжету и контенту в целом есть вопросы. Для номерной части серии игра коротковата и ей не хватает эпичности (особенно в финале). Хотя назвать игру плохой язык все же не повернется.
Но вот с точки зрения визуальной части эта игра — просто конфетка. Во время прохождения вы будете наслаждаться графикой, игрой света и поражаться, насколько же красивыми стали игры. Каждую локацию хочется нарезать на скриншоты и детально рассматривать. Естественно, тут пригодится видеокарта помощнее.
Мы уже рассказывали про видеокарты на примере кино. Пришло время поговорить о них на примере игр.
Что было до GPU и появления 3D
В ранних играх никакой отдельной графической системы не существовало. Вся работа по выводу изображения ложилась на центральный процессор. Он отвечал за все сразу: игровую логику, физику, звук и отрисовку пикселей на экране. В 1980-х и начале 1990-х это означало, что графика оставалась крайне простой.
Doom от id Software в 1993 стала первой игрой, изменившей подход к графике. В ней использовались 2D-спрайты и текстуры, но разработчики нашли способ создать иллюзию трехмерного пространства. Это не было настоящим 3D, но для того времени игра произвела впечатление.
Игры развивались и индустрия столкнулась с фундаментальной проблемой: центральные процессоры уже не справлялись с задачами графики. Отрисовка сцены требовала огромного количества однотипных операций — трансформации вершин, текстурирования, проверки глубины, расчета освещения, наложения текстур. CPU выполнял их последовательно и быстро становился узким местом. Разрыв между потребностями графики и возможностями CPU стал причиной появления специализированного железа.
В 1996 году компания 3Dfx Interactive выпустила Voodoo Graphics, революционную графическую карту, которая ускорила рендеринг 3D-объектов. Это позволило играм включать высококачественные текстуры и эффекты. Voodoo Graphics мгновенно завоевала популярность у геймеров и игровых компаний, поскольку позволяла создавать более плавную и качественную графику. Это особенно заметно в Quake. В отличие от Doom, где использовались псевдо-трехмерные трюки, здесь мир уже состоял из настоящей полигональной геометрии.
Quake стала настоящим прорывом. Вся игра была выполнена в 3D: оружие, враги и окружение. Игроки могли менять угол обзора, вращать камеру и исследовать мир с любого ракурса. Quake стала первой игрой, в которой была добавлена физика, что сделало взаимодействие с объектами более реалистичным. Движок Quake Engine стал основой для десятков новых проектов и определил, как должна выглядеть 3D-графика. Quake фактически стал одним из первых проектов, которые убедили игроков покупать отдельную видеокарту.
Voodoo Graphics, можно сказать, произвела настоящую революцию. Благодаря ей стали возможны обработка сложных 3D-эффектов, текстур и освещения, создание детализированных игровых миров.
Важным моментом стало появление API вроде Glide и OpenGL, которые позволяли играм напрямую обращаться к возможностям видеокарты. Именно тогда игроки начали видеть разницу между программным и аппаратным рендерингом. Текстуры становились плавнее благодаря билинейной фильтрации, сцены — глубже за счет буфера глубины, а частота кадров резко возрастала. Игры вроде Quake, Tomb Raider и Unreal стали витриной этой новой эпохи. Для многих игроков покупка Voodoo была первым опытом установки отдельной видеокарты именно ради игр.
Ранние 3D-ускорители работали по принципу фиксированного графического конвейера (fixed-function pipeline). Это означало, что все этапы рендеринга — трансформация геометрии, освещение, наложение текстур — выполнялись по заранее заданному алгоритму, прошитому в самой видеокарте.
Разработчики могли лишь включать или отключать определенные функции. Например, аппаратную фильтрацию текстур, простое освещение или туман. Но изменить сам способ вычисления цвета пикселя или поведение света они не могли. Визуальные эффекты, доступные в играх, фактически определялись инженерами GPU, а не художниками или программистами.
Эта модель хорошо работала, пока графика оставалась относительно простой. Но по мере роста сложности игровых миров стало ясно, что фиксированный конвейер слишком ограничивает разработчиков. Игры начали требовать более гибких методов освещения, сложных материалов и разнообразных визуальных эффектов.
Программируемая графика и рождение современного GPU
Ситуация изменилась в конце 1990-х – начале 2000-х, когда видеокарты получили программируемые шейдеры. Теперь разработчики могли писать небольшие программы, управляющие тем, как именно рассчитывается цвет каждого пикселя или положение каждой вершины. Это был настоящий переломный момент. Игры перестали быть ограничены фиксированным набором эффектов и начали экспериментировать.
DirectX 8 и DirectX 9 ввели поддержку vertex shader и pixel shader, которые выполнялись непосредственно на GPU. Это позволило создавать гораздо более сложные эффекты.
В этот период появляется и сам термин GPU (Graphics Processing Unit). Архитектура видеокарт начинает строиться вокруг сотен параллельных вычислительных блоков — ALU, которые одновременно обрабатывают огромные массивы графических данных. Такая структура идеально подходит для рендеринга сцены, где один и тот же алгоритм применяется к миллионам пикселей. Именно в этот момент видеокарта перестала быть просто «устройством вывода изображения» и превратилась в полноценный вычислительный ускоритель.
В 1999 году NVIDIA представила GeForce 256, позиционируя ее как первый в мире «графический процессор». Вместо того чтобы полагаться на ЦП для вычислений геометрии, он интегрировал аппаратные преобразования и освещение, что позволило использовать гораздо больше полигонов без замедления игрового процесса. Это сняло нагрузку с ЦП, позволяя разработчикам сделать еще один шаг в сторону детализации и «красивости» игровых миров.
Перенос аппаратного преобразования и освещения (Transform & Lighting, T&L) на видеокарту значительно увеличил количество объектов, которые можно было отображать в сцене. Игровые миры стали сложнее и насыщеннее. Например, в играх начала 2000-х резко выросло число полигонов в моделях персонажей и окружения. Видеокарты с поддержкой Direct3D и OpenGL предоставили разработчикам инструменты для создания динамических теней, отражений, зеркал и сложных сцен разрушения.
Программируемые шейдеры
Шейдер — это небольшая программа, которая выполняется прямо на GPU и отвечает за обработку определенного этапа рендеринга. Вместо того чтобы использовать заранее заданную формулу освещения или текстурирования, разработчик может написать собственный алгоритм. Первые шейдеры могли выполнять только базовые функции и были встроены в графические процессоры. Они вычисляли освещение, тени и текстуры. Например, Quake использовал простые алгоритмы для создания статических эффектов освещения. Эти технологии шейдеров были ограничены, но послужили основой для дальнейшего развития.
С появлением GeForce 3 в 2001 разработчики получили свободу программировать шейдеры. Это позволило им создавать более сложные визуальные эффекты. В современных графических API существует несколько типов шейдеров, но два из них сыграли ключевую роль в эволюции графики:
- Вершинные шейдеры (vertex shaders) — обрабатывают геометрию сцены. Они определяют, где именно находится каждая вершина модели после применения анимации, деформаций и трансформации камеры.
- Пиксельные или фрагментные шейдеры (pixel/fragment shaders) — вычисляют цвет каждого пикселя на экране. Именно здесь рассчитываются освещение, отражения, прозрачность, тени и большинство визуальных эффектов.
Оба типа шейдеров исполняются на GPU параллельно — тысячи экземпляров одной программы могут работать одновременно, обрабатывая разные вершины или пиксели сцены. С помощью шейдеров можно:
- имитировать сложные материалы вроде мокрого асфальта или человеческой кожи;
- реализовывать динамические тени и мягкое освещение;
- создавать эффекты воды, стекла и огня;
- применять пост-обработку — размытие движения, глубину резкости, цветокоррекцию.
Фактически именно шейдеры превратили видеокарту из устройства для отрисовки треугольников в программируемую вычислительную платформу.
Одной из первых крупных игр, активно использовавших программируемые шейдеры, стала Half-Life 2 в 2004. Движок Source активно применял шейдеры DirectX 9 для расчета освещения и эффектов воды. Именно здесь разработчики начали массово применять карты нормалей, реалистичные материалы поверхностей, сложные световые эффекты.
В 2007 году студия Crytek выпустила Crysis — игру, которая на долгие годы стала своеобразным бенчмарком для видеокарт. Движок CryEngine использовал чрезвычайно сложные шейдеры, динамическое освещение, детализированную растительность и продвинутую физику. Особенно впечатляли динамические тени, сложные материалы поверхностей, огромные открытые уровни с высокой детализацией. Затенение окружающей среды (SSAO), впервые появившееся в Crysis, добавляло тени к объектам, делая сцены более глубокими и реалистичными.
Для своего времени Crysis требовал невероятной вычислительной мощности GPU. Многие геймеры просто не могли запустить игру на максимальных настройках. Но именно такие проекты подталкивают индустрию вперед: видеокарты следующих поколений начали проектироваться уже с учетом подобных нагрузок.
В середине 2000-х архитектура GPU сделала еще один шаг вперед. Ранние видеокарты имели отдельные блоки для вершинных и пиксельных шейдеров. Но со временем стало ясно, что нагрузка между ними распределяется неравномерно. Решением стала унифицированная шейдерная архитектура, где все вычислительные блоки могли выполнять любые типы шейдерных программ. Такой подход впервые широко появился в поколении видеокарт DirectX 10.
Это значительно повысило эффективность использования GPU и открыло путь для более сложных графических алгоритмов. Кроме того, универсальные вычислительные ядра позволили использовать видеокарты для задач общего назначения — от физики до машинного обучения.
До этого освещение в играх часто «запекали» в текстуры — то есть рассчитывали заранее и сохраняли в виде статического изображения. Шейдеры позволили считать свет динамически, прямо во время игры. Это означало, что источники света могли двигаться, изменяться и взаимодействовать с объектами сцены. Миры в играх стали выглядеть гораздо живее.
Примеры улучшений шейдеров
Отложенный рендеринг. Впервые использованный в Killzone 2, вышедшей в 2009. Этот тип рендеринга шейдеров позволил разработчикам работать с большим количеством источников света, не перегружая систему. Это делает сцену более насыщенной и детализированной.
Параллаксное окклюзионное отображение (POM). Этот тип отображения использовался в Metro Exodus 2019 года для создания рельефа и глубины на поверхностях, помогая плоским текстурам выглядеть трехмерными.
Отражение в экранном пространстве (SSR). Эта технология была представлена в Crysis 2 в 2011 и отвечает за отражения на блестящих поверхностях. Это делает воду, стекло и металл более реалистичными.
Физически корректный рендеринг (PBR). Это метод, который позволяет сделать освещение и материалы максимально реалистичными. Разработчики используют законы физики для достижения реалистичных поверхностей. Например, в «Ведьмак 3» PBR используется для создания текстур на броне, оружии, воде и других объектах. Мы можем увидеть металлический блеск брони или то, как река отражает небо.
Современные GPU используют универсальные шейдерные ядра, которые могут выполнять любые типы графических вычислений. Это значительно повысило эффективность использования ресурсов видеокарты.
Интересно, что влияние шейдеров оказалось не только техническим, но и художественным. Разные игровые движки начали реализовывать собственные модели освещения и материалы, что только добавило визуального разнообразия играм. Например, некоторые проекты делают ставку на фотореализм, используя сложные физические модели освещения. Другие — наоборот, применяют шейдеры для создания стилизованной графики: мультяшных контуров, необычных цветовых эффектов или процедурных текстур.
Трассировка лучей
Последним крупным шагом в эволюции GPU стало появление аппаратной поддержки трассировки лучей (ray tracing). Это метод рендеринга, который моделирует физическое распространение света в сцене. Он позволяет получать реалистичные отражения, мягкие тени и глобальное освещение. Все это рассчитывается с помощью специализированных RT-ядер видеокарт.
Моделирование света — это вершина реализма. Ранее технология трассировки лучей была доступна только в киноиндустрии, где рендеринг одной сцены мог занимать часы. В играх, где сцены должны обновляться 60 раз в секунду, такой уровень потребления ресурсов был просто невозможен. В 2018 году NVIDIA выпустила серию RTX 20 с выделенными RT-ядрами (для трассировки лучей) и Tensor-ядрами для ИИ. Они впервые сделали трассировку лучей доступной для рендеринга в реальном времени.
Battlefield V и Metro Exodus демонстрировали отражения и тени, соответствующие реальной физике. И это повлияло на всю индустрию. В Minecraft, например, блоки RTX отбрасывают тени с такой точностью, что сцены приобретают новое измерение реализма (реализм в Minecraft, звучит странно, да).
Свет проходит сквозь стекло, меняя его направление, а витражи создают цветные лучи света. Солнце движется по небу, изменяя угол падения света и длину теней. В Control, например, источники света динамически реагируют на движение персонажей и объектов.
Трассировку лучей можно рассматривать как расширение виртуальной камеры игры, поскольку лучи света отбираются от этого основного источника, а затем алгоритмически отражаются от объекта (или серии объектов), создавая тени, отражения и преломления. Чем больше лучей отбирается, тем более реалистичным (или точным) становится изображение, но при этом увеличивается нагрузка на оборудование.
Ранние игры на базе RTX сталкивались с компромиссами. Производительность часто падала при включении трассировки лучей, а RT-ядра уменьшали пространство для традиционной растровой обработки, из-за чего некоторые карты RTX 2000 работали хуже, чем их аналоги GTX 1000. Некоторые игроки также отметили, что визуальные улучшения в повседневной игре были незначительными. Тем не менее, долгосрочное влияние очевидно: RTX установил новый стандарт освещения, объединив ИИ и графику, чтобы перенести кинематографические технологии в игры.
А еще есть трассировка пути — это разновидность трассировки лучей. Как следует из названия, она отслеживает целые пути света, а не отдельные световые лучи. Это позволяет получить более сложное и реалистичное изображение. В конечном итоге, все сводится к трассировке лучей, то есть процессу, когда световой луч направляется на объект, а затем алгоритм (написанный для каждой игры/программы) определяет, какой пиксель нужно соответствующим образом раскрасить.
В результате игры начали приближаться к фотореализму. Отражения в лужах, мягкие тени, глобальное освещение — все это теперь рассчитывается динамически, а не имитируется заранее подготовленными эффектами.
Постепенно технология становилась все более распространенной, поскольку разработчики игр и производители оборудования лучше понимали, как правильно ее использовать, ведь на заре ее развития были непростые (и, к тому же, дорогие) этапы. По данным NVIDIA, более 600 игр уже поддерживают «RTX» — это общий термин, включающий DLSS, трассировку лучей и технологии искусственного интеллекта компании. Хотя это не совсем точная цифра, она указывает на направление развития игровой индустрии. Сейчас игры часто запускаются с трассировкой лучей по умолчанию, а ее отсутствие считается аномалией.
Это значит (ну вы и сами понимаете), что для нормальной игры вам потребуется видеокарта, обойтись только CPU уже не выйдет. Да, технология по-прежнему невероятно требовательна к ресурсам, но что поделать.
Почему игры особенно любят GPU и причем тут VRAM
На первый взгляд все кажется простым: игра должна показать на экране картинку. Но за каждой такой картинкой скрывается огромный конвейер вычислений. Современная видеокарта — это почти отдельный компьютер, оптимизированный для обработки миллионов визуальных операций одновременно.
Когда игра формирует кадр, она передает на GPU описание сцены: модели, текстуры, источники света, материалы поверхностей и положение камеры. Дальше начинает работать так называемый rasterization pipeline — графический конвейер. Он превращает трехмерную сцену в двумерное изображение на экране.
Этот конвейер состоит из нескольких этапов.
Сначала геометрические данные обрабатываются вершинными шейдерами. Они вычисляют положение каждой вершины модели в пространстве сцены, применяют анимацию, деформации и трансформации камеры. На этом этапе GPU может обрабатывать миллионы вершин параллельно, используя сотни и тысячи вычислительных блоков.
После этого сцена разбивается на треугольники — базовые примитивы всей современной графики. Каждый треугольник затем проходит этап растеризации, где определяется, какие именно пиксели на экране он занимает. Но и это еще не финальная картинка.
Для каждого пикселя запускается пиксельный (или фрагментный) шейдер. Именно здесь происходит большая часть «магии», которую мы видим в современных играх: вычисляется освещение, отражения, тени, прозрачность, эффекты материалов, нормалей и текстур. Фактически GPU может выполнять миллиарды таких шейдерных операций в секунду. Именно поэтому GPU устроены совершенно иначе, чем CPU.
CPU оптимизирован для сложной логики и последовательных задач. У него несколько мощных ядер, способных быстро переключаться между разными типами операций. GPU же построен по противоположному принципу: тысячи относительно простых вычислительных блоков объединены в шейдерные процессоры, которые выполняют одну и ту же инструкцию сразу над огромным количеством данных.
По мере увеличения разрешения дисплеев (от 1080p до 1440p, 4K и теперь даже 8K) и по мере того, как геймеры ожидают более высокой частоты кадров (дисплеи 120 Гц, 144 Гц, 240 Гц), даже лучшие графические процессоры могут испытывать трудности, особенно при включении таких сложных эффектов, как трассировка лучей. Так возникла технология DLSS из понимания того, что рендеринг каждого пикселя с помощью традиционных методов неэффективен, и существует более разумный способ с использованием искусственного интеллекта и нейронного рендеринга. Она решает фундаментальное аппаратное ограничение, связанное с ограниченной пропускной способностью графического процессора.
Аналогично, технология генерации кадров решает проблему узкого места в процессоре, которое может ограничивать частоту кадров. Трассировка лучей стала возможной только благодаря специализированному оборудованию и грамотному шумоподавлению. Без этого мы бы либо столкнулись с низкой производительностью, либо были бы вынуждены снижать качество изображения.
Но вычислительная мощность — только половина истории. Вторая половина — это память.
Современные игровые сцены содержат гигантские объемы данных: текстуры высокого разрешения, карты нормалей, геометрию моделей, буферы освещения и промежуточные результаты рендеринга. Все это хранится в VRAM — видеопамяти, напрямую подключенной к GPU. Причем важен не только ее объем, но и пропускная способность. Каждый кадр видеокарта должна многократно читать и записывать данные: текстуры, буферы глубины, тени, промежуточные кадры постобработки.
В современных видеокартах пропускная способность памяти достигает сотен гигабайт в секунду. В топовых моделях она уже приближается к терабайту в секунду. Без такой скорости просто невозможно было бы обработать весь поток данных, который требуется для рендеринга одного кадра.
Именно сочетание трех факторов и определяет современную графику:
- шейдерные вычисления,
- графический конвейер растеризации,
- быстрая видеопамять с огромной пропускной способностью.
Эта архитектура формировалась десятилетиями и постепенно изменила сам подход к разработке игр. Когда-то разработчики были вынуждены экономить буквально каждый полигон. Освещение «запекали» в текстуры, тени были простыми, а отражения — фейковыми. Сегодня же видеокарты позволяют считать освещение, тени и материалы в реальном времени, каждый кадр пересчитывая всю сцену заново. Именно поэтому современные игры иногда выглядят почти как кино. А иногда даже превосходят его по детализации, как в Resident Evil: Requiem.
Заключение
История игр — это во многом история видеокарт. За три десятилетия GPU прошли путь от простых ускорителей текстурирования до сложных параллельных процессоров, содержащих тысячи вычислительных ядер. Каждое новое поколение GPU расширяет границы того, что можно показать на экране. И если сегодня мы восхищаемся графикой в современных играх, то во многом это заслуга не только художников и дизайнеров, но и инженеров, которые создают архитектуру видеокарт.
Фактически GPU стали одним из главных двигателей эволюции игровой индустрии. Они превратили интерактивные развлечения в полноценное визуальное искусство. Каждый этап этой эволюции — от Voodoo до трассировки лучей — расширял границы того, что разработчики могли показать на экране.
Именно поэтому эволюцию игровой графики невозможно рассматривать отдельно от эволюции GPU. Игры и видеокарты развиваются вместе. Каждая новая технологическая идея рано или поздно превращается в новый визуальный стандарт. И сегодня развитие GPU остается одним из главных факторов, определяющих будущее игровой индустрии.
