DirectX 11.2 三大新功能上陣，Mantle 榨乾硬體潛能

距離上一次AMD頂級卡已經1年多，本月終於端出新產品。也或許是HD這字眼已經過時，新型號全部重新命名。目前共有R7、R9系列，旗下各有多款子型號，AMD也透露未來可能會有入門的R3系列。此外，產品橫跨CPU、GPU還有遊戲主機的AMD，並不滿足於現狀，推出底層溝通用的Mantle API，企圖完全發揮PC的潛能。過去AMD使用HD字眼做為產品型號，然而4K、8K的UHD（Ultra High Definition）議題早已延燒，過時的HD概念自然會被淘汰。新型號仍舊保留Radeon字樣，後方加上R7、R9等系列型號，最後方則是子型號。舉例來說，目前最高階的產品型號Radeon R9 290X即為這種命名方式，為了行文便利，以下型號省略Radeon。根據AMD的說法，R7、R9內含的「R」亦指Radeon之意，並無其他涵義。雖然號稱新一代顯卡，但除了R9 290X的Hawaii（夏威夷）外，其餘大多是基於HD 7000架構略做修改而來，並非實質意義的新架構。舉例來說，像是R9 280X核心代號為Tahiti XTL（大溪地），也就是前代HD 7970 GHz Edition搭載的Tahiti XT精簡版，R9 270X與HD 7870也使用相似的核心，分別為Pitcaim（皮特康）、Pitcaim XT，中階R7 260X的Bonaire（波奈）核心亦被HD 7790所搭載。這些卡僅有時脈與API支援度的差異，時脈落差會影響到效能表現。但更重要的是，那DirectX 11.2的支援與否，可是會影響到顯卡對於新特效的支援度，況且DirectX 11.2有著多項令人期待的新功能。▲UHD是Ultra High Definition之縮寫，一般而言包括4K與8K皆屬UHD範圍，其中4K又包括3840 x 2160與4096 x 2160這2種解析度。4K約等於目前主流Full HD解析度的4倍。這次R7與R9最受矚目的並非硬體層面的設計，而是新支援的DirectX 11.2與自家新開發的Mantle。其中DirectX 11.2也隨著上個月Windows 8.1上市而更新，目前只有Windows 8.1可支援DirectX 11.2，但Windows 7甚至是Windows 8都不支援DirectX 11.2。好在當下也沒有要仰賴其新功能之處，DirectX 11.2對於開發者的影響較高。▲DirectX是微軟的多媒體編程介面，其API包含DirectX Graphics、DirectSound、DirectInput等部分，最新版本是DirectX 11.2。DirectX未推出前，開發者必須顧慮市面上所有硬體的相容性，然而透過DirectX，硬體製造商只要相容DirectX，開發者就能依照DirectX規範編寫軟體，而不需要一一考量相容性。DirectX 11.2最主要的目標，在於減輕目前CPU與顯示記憶體的需求。首先要介紹的Tiled Resources，就是為了降低顯示記憶體的新技術。現在遊戲絕大多數的容量，都是用於儲存材質（Texture）貼圖。遊戲中越細緻的影像，需要運用的材質貼圖也就越高，自然增加顯示記憶體的負擔。以微軟舉的例子來說，假設你在玩某款飛行遊戲，正在操縱的細緻飛機可能需要100MB的材質貼圖，草原上獨立的房屋可能需要10MB，大一點的城鎮需要1GB的材質，而最複雜的地形可能需要10GB以上才能處理。零零總總加起來，就是一筆可觀的數字。1個容量達23GB的遊戲，裡面超過半數都是用於材質，但顯示記憶體這麼小，該如何讓影像與使用效率最大化就是DirectX 11.2的目標。為了讓遊戲看起來更細緻，材質會大量地堆疊，而Tiled Resources則能減緩這樣的問題。Tiled Resources可將影像切割成極小的區塊，用小的區塊做出等同大型貼圖的效果。舉例來說，將天空做出切割，切割完畢後會有許多相同的區塊。可將這些相同的區塊給予定義，就能減少無謂的資源消耗，比起傳統大型貼圖更省系統資源。以剛剛的天空來說，做出切割後可能只有藍色、白色等少數種類，亦即許多區塊是相同的，在顯示記憶體中儲存這樣少量、小型的貼圖，無疑比起儲存整個貼圖更為節省容量。原理上雖然簡單，但切割後的畫面還得拼貼才能讓GPU做出完整的畫面。Tiled Resources使用系統記憶體，將小區塊貼圖拼成影像後，再交給GPU運算、輸出成你看到的影像。當貼圖所佔用顯示記憶體減少，遊戲自然能使用更高品質的貼圖。▲當影像切割後，各區塊會有各自的定義。左側是系統記憶體配置好的小材質區塊。透過Windows的Page Table功能，可得到完整的貼圖。接著傳給GPU的材質單元，最後輸出成螢幕顯示的影像。(後面還有更多內容)GPU Overlay Support或稱為Hardware Overlay Support，是未來遊戲取得流暢度與特效之間的方式之一。這項技術主要是將多種「圖層」合併成單一影像，以微軟舉出的例子來說，透過XAML描繪的遊戲UI（User Interface，使用者介面），可與Direct3D繪製的影像，透過硬體的方式合併。此外，XAML也是Windows市集建議的UI語言。合併影像跟遊戲有什麼關係？關鍵在於以往DirectX與XAML影像合成，兩者皆必須為原尺寸、且DirectX圖層必須在上方。而GPU Overlay Support放寬了使用限制，解除了原尺寸的限制，且DirectX圖層不一定要在上方，提高了合併的自由度。行文自此，應該還是很多人一頭霧水，這該如何應用在實際遊戲層面呢？▲微軟正在大力推廣XAML，透過GPU Overlay Support未來會有更多的可能性。相信玩過遊戲的人應該都知道遊戲中有不少特效選項，而解析度也是其中之一。在相同的環境下，解析度越高對於GPU的負擔越高，流暢度也就等比例下降。若遊戲支援GPU Overlay Support，特效中會有個Resolution Scale（解析度比例）選項，可設定解析度比例，像是80%、90%等數值。當設定成100%時，Direct3D的影像解析度自然等於顯示解析度。假若設定成80%，此時繪製出來的影像解析度就只有原先的80%。但受到GPU Overlay Support的影像，UI部分則是維持100%原生解析度的辨識率。遊戲影像因為解析度較低，看起來會比100%時略顯模糊，但UI部分因為仍維持100%的比例，因此仍是相當銳利。傳統降低解析度時，不論影像或是UI都會等比例下降，文字、UI圖像部分隨之降低導致遊戲性不佳，GPU Overlay Support可在兩者之間取得平衡點。用個更具體的例子來說明，假設今天Crysis支援GPU Overlay Support，當Resolution Scale設定成80%時，你會看到遊戲影像，像是樹木、衣服、槍枝的細節變得模糊許多，這是因為解析度降低所導致。但在彈藥、雷達等UI方面，則是維持原本100%時的銳利度與清晰度，並不因為調整比例而改變。▲以往圖層的順序、尺寸都有嚴格的限制。然而GPU Overlay Support可提升運用自由度，對於效能偏低的平台也能取得流暢度與影像的平衡點。(後面還有更多內容)透過Resolution Scale調整，畫質肯定會有所衰減。但對於效能有限的平台，用畫質換取流暢度是常見的作法。以往合併影像必須遵守原尺寸與圖層上下關係，但GPU Overlay Support打破這限制。透過這種方式，Direct3D可繪製任意比例的影像，再縮放到與螢幕解析度一致。至於彈藥、地圖等UI，則是繪製原尺寸，就不會有比例或是銳利度上的問題。且不受到圖層的上下限制，UI與3D圖像的Z軸可任意指定，自由度比起過去提高許多。除了Tiled Resources、GPU Overlay Support外，接下來要介紹的Mappable Default Buffers跟遊戲就沒什麼關係。Mappable Default Buffers主要是用於通用運算的技術，過去CPU與GPU之間溝通時，會透過Staging Buffers與Default Buffers暫存資料。意即運作時，CPU若要將資料傳給GPU，則須先將資料傳遞至系統記憶體的Staging Buffers，再傳到GPU端Default Buffers，最後再由Default Buffers交給GPU。若GPU要傳資料給CPU，也得反過來將上述步驟跑過一輪。由於過程複雜，且運算過程中每個記憶體緩衝區都有足夠的容量，加上頻繁的存取容易造成效能低落。在DirectX 11.2上不需要這麼麻煩，Staging Buffers可分成給GPU做為Default Buffers之用。未來CPU與GPU在運算時，只需要將資料傳遞至Default Buffers就能共同存取，精簡步驟有助於提升運算效能。▲過去通用運算CPU與GPU溝通相當繁雜，透過整合後的Default Buffers，能減少存取次數，間接提升運算效率。這次DirectX 11.2更新項目約有10個項目，部分僅支援DirectX 11，但也有些技術可向下相容至DirectX 9，在此僅說明3個較為重要的更新項目。其餘像是減少介面延遲的Low Latency Presentation API、類似Windows底下DLL的HLSL Shader Linking等等，由於關聯性較低，未來有機會再做說明。至於在支援度方面，AMD的GCN架構顯卡即HD 7000系列，未來都可能透過更新的方式，支援DirectX 11.2。HD 5000、6000系列則是支援DirectX 11.2的Level 11_1，但不支援Tiled Resources技術。至於在NVIDIA方面，Kepler架構應該是有機會支援DirectX 11.2。但在截稿前為止，在NVIDIA官網仍未透漏支援DirectX 11.2的支援資訊。這次AMD顯卡在硬體架構上改變有限，除了支援DirectX 11.2外，就屬Mantle與True Audio最令人期待，接著看下去到底除了NVIDIA未來也會支援的DirectX 11.2外，到底有什麼獨家的設計。▲隨著DirectX 11.2推出的功能，有些在DirectX 9或10上也能支援。(後面還有更多內容)AMD依舊搶先支援新版本DirectX，但依照過去的慣例，等到真有支援的遊戲推出仍得等上好一陣子。過去的DirectX 10.1與DirectX 11.1都是呼聲大反應小，這次DirectX 11.2跟著Windows 8.1推出，多少增加了注目度。但未來NVIDIA勢必也會支援新版本DirectX，新卡有多少新技術才是重要的關鍵。在幾星期前的發表會，AMD曾說過相較於硬體變化，這次顯卡的軟體更有看頭，指的就是那Mantle。簡單而言，Mantle類似遊戲主機的程式編寫軟體，但並非DirectX這類位於中間層的API（Application Programming Interface，應用程式介面），而是更為底層的API。遊戲主機開發不易，上市後得經過數年的時間才會停產，如何榨出硬體效能就是最大的關鍵。通常也因為硬體升級不易，開發商都會盡量發揮硬體的最佳效能。然而PC端則不同於遊戲主機，產品每年更新導致效能浪費，無法完全發揮硬體應有的效能表現。AMD在PC端導入如遊戲主機使用的底層API，讓開發者能接觸深的層面，發揮更多的硬體效能。以PS4這類遊戲主機來說，要溝通GPU就得經過3個層級，最上方是類似DirectX的Wrapper API，接著是底層（Low Level）API，最後則是驅動程式層級，最後才能接觸到GPU。▲Mantle包括4個層面，GCN、Mantle Driver、Mantle API，最外面則是Graphics Applications。雖說不少人猜測Mantle是跨平台的API，然而近期微軟部落格表示Xbox One不支援Mantle，僅支援DirectX。AMD即回應Mantle僅提供PC端類似遊戲主機的開發環境，透過底層的API會有助於開發。Mantle包括的4個層面，由內而外分別是GCN核心、Mantle Driver、Mantle API，最外面則是Graphics Applications。繪製、編寫圖形的麻煩之處，其中一點就是Draw Call（繪圖命令），即CPU負責的圖形調用跟API之間的指令。GPU執行Issue的Draw Call增加，會導致API端處理加重，進而佔用CPU效能，並會增加開發者的負擔。Mantle透過軟體層的輕量化，讓Draw Call得以增加。官方資料號稱能達到9倍的Draw Call，理想上來說，現在就能達到多年後的硬體效能。對開發者而言，Mantle是與GCN共生的顯示卡語言，透過這種方式易於強化遊戲引擎，Battle Field 4使用的Frostbite 3引擎已經結合Mantle，開發者更容易發揮硬體效能，讓遊戲引擎對GPU最佳化。Battle Field 4預計10月29日上市，且12月會有關於Mantle的更新，屆時就能知道究竟Mantle管不管用。除了Mantle，True Audio也是這次的賣點之一，True Audio是AMD針對遊戲音效推出的可編輯音效處理功能，僅支援R9 290X、R7 260X但並不支援R8 280。True Audio是硬體設計，已包含在GPU設計當中。在音效設計上，AMD著墨比NVIDIA高出不少。打從HD 2000時期，HDMI就整合影音訊號，以往甚至是同期的NVIDIA還須將音訊外接至顯卡上。HD 3000率先支援DisplayPort音效訊號。HD 5800的HDMI則是支援HBR（High Bit Rate Audio），到了HD 7900則引入DDMA（Discrete Digital Multi Point Audio），可在多螢幕輸出環境下，各螢幕有獨立的聲音而不互相干擾。True Audio是GPU當中處理音效的硬體單元，透過硬體方式，可降低CPU的運算需求。依照官方數據，CPU負載當中，最高可能有10%都在處理音效，雖然看似有點誇張，但也有人認為GPU上的音效單元能讓開發者更直接設計遊戲音源，易於強化遊戲的臨場感。除了降低CPU負擔外，亦有人認為此舉有助於GPU散熱。目前GPU製程提升導致半導體的熱密度很難下降，擁擠且密度極高的GPU廢熱很難去除。在熱密度高的GPU當中，放入熱密度低的音效專用單元，有助於平衡GPU的熱分布，讓廢熱更容易分散。或許在GPU內有高發熱的圖形單元與低發熱的音效單元，有助於分散熱量。但音效單元面積畢竟較小，且必定是集中分配於某個位置，能否帶動整個GPU的熱量分配仍是個未知數。(後面還有更多內容)