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为什么线程在《奇点灰烬》* 中至关重要

创建游戏时,您需要不断在特性和性能中作出权衡。 在游戏中添加图形效果和特性时,GPU 是最突出的瓶颈,但是游戏同时也会受到 CPU 的限制。

除了来自游戏逻辑的普通 CPU 负载以外,物理和人工智能 (AI) 计算以及赋予游戏浸入式体验的图形效果也是 CPU 密集型任务,在游戏开发的过程中,GPU 和 CPU 通常交替产生瓶颈。

现代微处理器拥有强大的单核性能,但如果能够充分利用多个 CPU 内核,游戏将能够实现更好的整体性能。 为了充分利用全部的 CPU 计算功能,应用在使用多线程时运行速度最快,此时它们可以确保在所有 CPU 内核上同时运行代码。

视频地址:https://dn-moderncode.qbox.me/game/why-threading-matters-for-ashes-of-the-singularity.mp4

最近,Oxide Games 和 Stardock Entertainment 公司开发了一款实时战略 (RTS) 游戏《奇点灰烬》*,本视频展示的便是这款游戏。 您可以看到在搭载了更多 CPU 内核的系统上,这个游戏如何提供更卓越的游戏体验和性能。
图片描述

《奇点灰烬》
图 1: 《奇点灰烬》* 展示了在搭载了更多 CPU 内核的系统上,高度线程化游戏如何获得更高的帧速率。

Oxide 创建了新的引擎并采用了 Direct3D* 12,如此一来《奇点灰烬》便能利用处理器的所有内核。 该游戏在常见的游戏系统上运行良好,在搭载了更多内核的系统上表现更佳。 您可以在游戏中采用相同的技术,以实现最佳 CPU 性能。

Direct3D* 12 消除了瓶颈并提升了性能。

为了在《奇点灰烬》中获得最快的帧速率,Oxide 团队使用了 Direct3D* 12 版本。 Direct3D 的早期版本运行良好,但是存在几个瓶颈, 在第 12 版中,API 进行了多项变更,消除了影响游戏速度的瓶颈。这些变更包括:多个对象被简化为管线状态对象,更小的硬件抽象层最大限度地降低了 API 开销,从图形驱动程序中消除了资源障碍。

Direct3D 11 能从多个线程中创建命令。 但是,由于旧版 Direct3D 需要大量的串行化,游戏从多线程中获得的加速不多。 通过调整 API,Direct3D 12 彻底消除了这一底层限制。 现在游戏无需使用串行化,便可以使用多个线程填写命令列表,从而显著改善整体线程性能。

通过充分利用这些 API 变更,《奇点灰烬》在 Direct3D 12 上能够实现运行效果。

Nitrous* 引擎使游戏成为可能

Oxide 想要创建一个比以往游戏更复杂的实时战略游戏,支持更大型的军队,拥有更多的单位和更广阔的地图。 为了创建下一代实时战略游戏,开发团队一致认为需要一个新的游戏引擎,现有的游戏引擎无法支持他们期望的单位数量和地图规模。 为了成功开发出《奇点灰烬》,他们从头开始建造 Nitrous 引擎。

任何新的引擎必须首先提供高性能的渲染, 为了达到这个目标,他们对 Nitrous 引擎进行了充分调试,使其支持最新版图形 API、多个 GPU 和异步计算。

游戏为每位玩家提供了多个单位的支持,还提供了大型地图。 在广阔的地形内模拟众多游戏内对象的物理结构生成了庞大的 CPU 负载。 更为重要的是,由于需要模拟每个单位的行为,人工智能工作负载也非常庞大。 游戏支持的大量单位还引发了突发特性。 随着单位数量的增加,玩家直接管理单位的难度不断加大。 Oxide 打造了实现人工智能的分层方法,使军队合理地协作,以利用每个单位的相对优势,同时关注它们的相对劣势。

为了实现这种拓展,Nitrous 将工作分解为更小的任务,实行了引擎的线程化。 任务系统具有较高的灵活性,小型任务可以分散于尽可能多的 CPU 内核中。 由于多数英特尔® 处理器包含英特尔® 超线程 (HT) 技术,Oxide 认真调试了面向速度的任务调度器,调度器在任务之间寻找局部性。 共享已缓存数据的任务在相同物理 CPU 内核中的不同逻辑内核上进行调度,这一方法带来了最佳性能和任务吞吐率。

不论采用何种方法,提升游戏复杂性的过程中总会遇到瓶颈。 开发游戏时,需要考虑预期的相对 CPU 和 GPU 负载。 了解当 GPU 和 CPU 分别成为瓶颈时,游戏将怎样运行。

英特尔® 酷睿™ 处理器为游戏添彩

英特尔® 酷睿™ 处理器能够让您的游戏如《奇点灰烬》般闪耀。 在设计和优化游戏的过程中,您应瞄准中端处理器,并提供扩展到最高端处理的能力。

借助上述技术,《奇点灰烬》在一流的英特尔® 酷睿™ i7-6950X 处理器至尊版上运行良好,这款处理器有 10 个物理 CPU 内核和一个大容量高速缓存,能实现最佳的整体性能。 将工作分解为任务后,借助强大的 GPU,游戏的帧速率随着 CPU 内核数量的增加而提高。 在 CPU 内核数量不同的相同系统上,帧速率稳定增长至最高 10 个物理内核。

该游戏还包括大型地图。 由于玩家和单位数量非常庞大,装备齐全的一组玩家将造成巨大的人工智能负担。 经过认真的调试,《奇点灰烬》借助任务调度器,自动将工作自动分配至全部内核中,只有在 CPU 内核(六个及以上)数量较多的系统中显示地图。 这是一个不错的方法,您也可以效仿:如果您想选择性地启用特性,可以利用 GetsystemInfo() 等函数检测系统的内核数量。

可扩展效果使游戏更胜一筹

尽管游戏主要关注如何在内核数量较多的系统上提升帧速率,但是仍可以利用一小部分 CPU 空间为玩家带来惊喜。 随着内核数量的增多,《奇点灰烬》将在某些单位内自动启用高级粒子效果,还会启用临时运动模糊。
图片描述
《奇点灰烬》
图 2: 两个大型战舰单元上的高级粒子效果看起来非常炫酷。

这些粒子…查看全文
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