6 лет технологии «трассировки лучей»: как она развивалась, куда пришла и нужна ли вообще
Обещанного три года ждут. В случае с трассировкой лучей игроки уже ждут шесть лет, и, кажется, что обещанная революция откладывается. Мы расскажем о настоящих революциях, которые не всегда успешны. А также выскажем свое мнение о том, почему современная технология RTX — не революция.
Состоявшаяся революция
В эпоху до появления первых 3D-ускорителей и видеокарт (которые тогда существовали как отдельные устройства) в играх на ПК и консолях преимущественно использовались спрайты — двухмерные изображения. Даже при создании иллюзии трёхмерного пространства основными элементами оставались плоские объекты. Яркими примерами игр, сочетающих трёхмерную среду с двухмерными спрайтами, стали первые две части Doom и вершина того периода — Duke Nukem 3D.
С выходом первых полноценных трёхмерных игровых движков, таких как Quake Engine, стало очевидно, что будущее игровой индустрии связано с трёхмерной графикой. Появление полноценного третьего измерения значительно улучшило восприятие игр и повлияло на геймплей.
Тогда же стало ясно, что хотя центральные процессоры могут выполнять задачи рендеринга трёхмерных изображений в реальном времени, эта работа эффективнее выполняется специализированными чипами. Одной из первых массовых видеокарт с поддержкой 3D стала S3 ViRGE (Video and Rendering Graphics Engine), выпущенная в 1996 году. Несмотря на ограниченные возможности в области рендеринга, она могла стать отличным дополнением к другому устройству — видеоускорителю 3dfx Voodoo1, появившемуся годом позже, в 1997 году. Этот дуэт позволял снизить нагрузку на центральный процессор и выводить на экраны пользователей качественную по меркам того времени 3D-графику.
Изображение принадлежит 3D Realms Entertainment и GT Interactive Software.
Тем, кто хочет узнать больше о зарождении 3D-графики на персональных компьютерах, рекомендуем ознакомиться со статьями на портале IXBT.com под названием «Ретроспектива: с чего начиналась 3D-графика на ПК» (части 1 и 2). Эти материалы подробно освещают историю взлёта и падения компании 3dfx, а также рассказывают о том, как NVIDIA и ATI (позже приобретённая компанией AMD) захватили рынок видеокарт.
После выпуска таких продуктов, как Nvidia GeForce256 (1999) и GeForce2 (2001), а также ATI Radeon серии 7xxx (2000), можно было констатировать, что в игровой индустрии произошла настоящая революция. Чтобы понять уровень цен того времени и ассортимент ускорителей, стоит обратиться к 3DGiТогам сайта IXBT.com за 2001 год. Стоимость популярных моделей GeForce2 MX варьировалась от 40 до 60 долларов, что эквивалентно 1200–1800 рублям. Для сравнения: консоль PlayStation 2 в 2000 году стоила 299,9 доллара США, или примерно 9000 рублей. Средняя зарплата в России в сентябре 2001 года составляла 3511 рублей.
Изображение принадлежит Epic Games.
На революцию ушло четыре года. Появление доступных массовому покупателю устройств, обеспечивающих принципиально новое качество графики в играх, сделало 3D-видеоускорители неотъемлемой частью современных компьютеров. Массовое распространение таких ускорителей среди геймеров привело к тому, что все новые игры, стремившиеся привлечь внимание игроков, начали выпускаться в формате 3D.
Несостоявшаяся революция
В 2010-х годах в игровой индустрии могла произойти новая революция, однако многие игроки просто не заметили появления доступных VR-устройств. Ранее мы рассказывали о становлении VR в компьютерных играх и причинах, по которым виртуальная реальность так и не смогла завоевать массовый рынок.
Аналитики предсказывали, что внедрение виртуальной или дополненной реальности в повседневную жизнь будет столь же стремительным, как внедрение 3D-ускорителей. Однако с момента старта кампании на Kickstarter в 2012 году, когда малоизвестный тогда стартап Oculus собрал средства на разработку доступной гарнитуры виртуальной реальности Rift, прошло немало времени, а VR-игры всё ещё остаются нишевым развлечением. Хотя виртуальная реальность предлагает принципиально новый уровень погружения, большинство игроков этого не оценили.
Игроки в буквальном смысле не увидели принципиально нового для себя опыта. Если в случае с 3D-графикой разработчики сначала продемонстрировали её возможности на обычных ПК, после чего потребовалось приобретать ускорители, то с VR ситуация противоположная. Чтобы ощутить и понять, даёт ли виртуальная реальность принципиально новый опыт, необходимо сначала приобрести устройство. Даже самые качественные обзоры игр не могут передать тех ощущений, которые испытывает пользователь в VR. И несмотря на то, что стоимость некоторых устройств снизилась до приемлемого уровня, большинство игроков так и не почувствовало потребность в них.
Тем не менее, пусть и небольшой, но рынок игр виртуальной реальности существует. Сколько времени ушло на его формирование? Все первые по-настоящему массовые устройства VR вышли в 2016 году — Oculus Rift CV1, PlayStation VR, HTC Vive (совместно с Valve). В 2020 году вышла знаменитая Half-Life Alyx, а в 2021 году Марк Цукерберг анонсировал Метавселенную (своеобразный Диптаун из романов Сергея Лукьяненко). То есть, с момента появления первых массовых потребительских устройств на рынке до выхода проектов, нацеленных на массовое потребление, прошло около пяти лет. И когда эти проекты не привели в VR действительно массовую аудиторию, стало понятно, что рынок пока не готов к виртуальной реальности.
Фальшивая революция
К моменту анонса и последующего выхода на рынок видеокарт серии RTX от Nvidia трассировка лучей при создании трёхмерной графики в профессиональной среде уже использовалась долгое время. Подробно разобраться в технологии трассировки лучей, узнать разницу между ней и используемым сейчас алгоритмом растеризации с Z-буфером, а также изучить историю появления и применения этой технологии поможет материал наших коллег с IXBT.com — «DirectX Raytracing: трассировка лучей в реальном времени».
Без углубления в технические нюансы, алгоритм трассировки лучей моделирует совокупность всех лучей, попадающих на пиксель, отображаемый на экране, которые и определяют его цвет. Для достижения фотореалистичности учитываются характеристики поверхности объекта, от которой отражается или преломляется свет.
Теоретически трассировка лучей решает множество проблем, свойственных классическому алгоритму растеризации, и упрощает некоторые вычисления. Использование этого метода позволяет создавать фотореалистичные изображения, поскольку он имитирует поведение лучей в реальной жизни. Качественные отражения, преломления света, мягкие тени практически невозможны при использовании растеризации.
Однако у этой технологии есть важный недостаток: она предъявляет высокие требования к вычислительной мощности. Основное различие между кинематографом и играми при использовании трассировки лучей состоит в том, что в играх все расчёты должны производиться в режиме реального времени. Если игра работает с частотой 30 кадров в секунду, то для каждого пикселя на экране нужно 30 раз в секунду смоделировать путь луча света от приёмника (например, камеры или человеческого глаза) ко всем источникам света.
Хотя растеризация тоже требует значительных вычислительных ресурсов, с течением времени алгоритмы были оптимизированы, а архитектура видеоускорителей адаптирована под эту технологию.
Изображение принадлежит Nvidia.
Несмотря на это, Nvidia решила вывести технологию трассировки лучей на потребительский рынок, выпустив видеокарты серии RTX 20xx. За громкой рекламной кампанией о революции среди игроков осталась незамеченной важная деталь: речь идет не о полной трассировке лучей в играх.
Вычислительные мощности GPU пока ещё недостаточны для полного перехода на алгоритмы трассировки лучей в режиме реального времени и отказа от растеризации. Изначально планировалось использовать гибридный подход: формировать сцену с помощью растеризации, а затем накладывать эффекты, используя трассировку лучей. «Золотая эра» рендеринга с применением трассировки лучей, безусловно, наступит, но пока не сейчас. Ирония заключается в том, что, несмотря на то, что гибридный подход должен был устранить или хотя бы нивелировать недостатки растеризации, на практике он не решает эту задачу, а ограничения трассировки лучей — высокие требования к вычислительным мощностям — остаются актуальными.
Вооружившись этими знаниями, предлагаем по-новому взглянуть на исследование YouTube-канала Hardware Unboxed. Эксперты канала проанализировали влияние трассировки лучей на качество графики и производительность в играх. Значительное улучшение визуального качества при включении трассировки было отмечено только в трёх играх при максимальных настройках: Alan Wake 2, Cyberpunk 2077 и Metro Exodus.
Изображение принадлежит Hardware Unboxed, источник изображения Hardware Unboxed.
В некоторых играх включение трассировки лучей улучшало общее качество изображения, но гораздо чаще наблюдался случай, когда включение этой технологии либо никак не влияло на восприятие картинки, либо даже ухудшало его. Таким образом, сама по себе трассировка лучей не приносит качественно новых ощущений от графики в играх, как это было с полноценным переходом на 3D или VR. Более того, неумелое применение этой технологии может привести к ухудшению изображения по сравнению с традиционной растеризацией, одновременно существенно снижая производительность.
Ситуацию смягчают многочисленные ИИ-помощники, которые дорисовывают кадры и повышают разрешение изображения, первоначально отрендеренного в более низком разрешении.
Можно ли в таком случае говорить о революционных изменениях в рендеринге 3D-изображений в реальном времени? Скорее нет, чем да. Гибридный режим трассировки лучей не меняет восприятие картинки игроками кардинальным образом. В тех играх, где разработчики более тщательно подошли к реализации алгоритмов трассировки, оценить это смогли лишь немногие игроки, способные позволить себе дорогостоящие видеокарты, которые по своим характеристикам и цене ближе к профессиональным устройствам, чем к продуктам для массового рынка.
Изображение принадлежит CD Projekt RED. Источник изображения Nvidia.com.
Тот факт, что «лучи Хуанга» не произвели революции в 3D, подтверждается и поведением конкурентов Nvidia. Если в сфере ИИ-чипов как Intel, так и AMD стремятся предложить свои решения, чтобы отвоевать у Nvidia хотя бы часть рынка, то внедрять мощные вычислительные блоки для работы с трассировкой лучей эти компании не торопятся, хотя и Intel, и AMD представлены на рынке дискретных видеокарт. Блоки, работающие с трассировкой, в их продуктах присутствуют скорее «для галочки».
Понимают ли это в Nvidia? Без сомнения. Но звание самой технологичной и успешной компании нельзя завоевать, выпуская просто хорошую продукцию. Она должна быть «лучшей», даже если некоторые «преимущества» незаметны невооружённым глазом. О чудесах трассировки будут восторженно рассказывать техноблогеры и демонстрировать её, пусть даже через YouTube.
Всё это помогает Nvidia удерживать львиную долю рынка дискретных видеочипов. Согласно статистике Steam за октябрь 2024 года, доля видеокарт с чипами от Nvidia превышает 77%. Доля AMD составляет 15%, а Intel удерживает чуть более 7% рынка. Такое распределение было бы объяснимо, если бы карты с чипсетами Nvidia действительно превосходили конкурентов по соотношению цена/производительность. Однако это не всегда так. В июльском рейтинге видеокарт IXBT.com без учёта трассировки и технологий масштабирования лучшие места занимают чипсеты AMD и Intel. Когда включены трассировка и масштабирование, картина меняется, и верхние строки рейтинга занимают решения от Nvidia.
Будущее трассировки
Появление 3D-ускорителей и VR-устройств меняло рынок настолько стремительно, что мало кто успевал осознать происходящие перемены. В середине 1990-х игроки впервые увидели в играх полноценное 3D, а уже в начале 2000-х представить ПК без поддержки 3D стало невозможно. В середине 2010-х VR-гарнитуры были доступны только богатым энтузиастам виртуальной реальности, а к началу 2020-х сформировался пусть и небольшой, но устойчивый рынок видеоигр для VR.
Прошло шесть лет с момента выхода первых видеокарт с поддержкой аппаратной трассировки лучей в 2018 году, но видеоигры, способные действительно продемонстрировать картинку нового качества, можно сосчитать на пальцах одной руки. Очевидно, что революция не произошла.
В теории, производительность вычислений трассировки лучей можно легко увеличить. Эти операции поддаются параллельной обработке. Простое увеличение числа RT-ядер (RT — Ray Tracing, то есть ядер, отвечающих за обработку трассировки лучей) прямо пропорционально повышает производительность. Первая топовая RTX 2080 Ti, выпущенная в 2018 году, имела на борту 68 RT-ядер, RTX 3090 (2020) — 82 ядра, а RTX 4090 (2022) — уже 128 ядер.
Современная «народная» RTX 4070 не дотягивает по количеству RT-ядер даже до RTX 2080 Ti. У неё всего 46 RT-ядер. В бюджетном сегменте ситуация ещё хуже. У 3060 таких ядер 28, а у 4060 — 24 ядра. Это меньше, чем у RTX 2060 (30). Конечно, инженеры Nvidia усовершенствовали архитектуру и увеличили частоты, но давайте будем честными. Возможность работы с трассировкой лучей в бюджетных видеокартах на практике вряд ли будет востребована.
Возможно, будущие видеокарты среднего ценового сегмента серии RTX 5000 смогут догнать лидеров прошлых поколений, но с каждой новой линейкой видеокарт Nvidia «средний» ценовой сегмент приближается к «топовому» сегменту предыдущего поколения.
В нашей статье, посвящённой утечке характеристик будущей 5090, мы уже анализировали потенциальный рост производительности будущих видеокарт от Nvidia. Картина складывается не слишком радужная. Скорость рендеринга топовых решений потенциально увеличится на 50% (реальный прирост, вероятно, составит около 30%), а цена вырастет до 2500 долларов. Какова будет стоимость видеокарт на базе чипов 5060 и 5070, которые якобы принесут трассировку лучей в массы, остаётся только гадать. Вполне возможно что массовые игроки увидят трассировку лучей только на YouTube.
Учитывая отсутствие интереса со стороны AMD и Intel к конкуренции с Nvidia в этой технологии, не стоит ожидать резкого роста производительности в играх с трассировкой на консолях, не говоря уже о портативных устройствах, таких как Steam Deck или будущая Nintendo Switch. Формально они могут даже поддерживать эту технологию, но на практике мы её вряд ли увидим.
Увеличить количество RT-ядер за счёт классических блоков, работающих с растеризацией, не удастся. Гибридный режим требует высокой производительности как с трассировкой, так и без неё. Нарастить количество ядер можно только путём уменьшения технологического процесса и увеличения плотности транзисторов на квадратный миллиметр чипа. Однако каждый шаг в этом направлении становится всё труднее для инженеров.
Закон Мура, известный как наблюдение инженера Гордона Мура о том, что количество транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые 24 месяца, долгое время оставался актуальным, но теперь утратил свою силу. Сам Мур в 2007 году признал, что этот закон теряет актуальность из-за приближения к физическим пределам миниатюризации транзисторов. В 2022 году, комментируя критику роста цен на видеокарты, глава Nvidia Дженсен Хуанг отметил, что Закон Мура умер: «Мы потеряли способность соблюдать Закон Мура, согласно которому удвоение производительности должно достигаться при одинаковых затратах или сохранение той же производительности при снижении затрат вдвое. Идея о том, что чипы со временем станут дешевле, увы, ушла в прошлое».
Так оно и есть, но стоило ли в 2018 году выпускать на рынок видеокарты с поддержкой трассировки лучей, оснащённые RT-ядрами с миллионами транзисторов, если игроки так и не увидели обещанного прорыва в графике? Большинство игроков до сих пор не наблюдают обещанную революцию, и весьма сомнительно, что они увидят её в ближайшем будущем. На деле RT-ядра играют роль маркетинговой уловки, привлекающей покупателей, заманивая их покупкой видеокарт с зелёным логотипом, вместо того чтобы задуматься над высокими ценами.
Вычислительные мощности современных ускорителей 3D-графики вообще не способны вытянуть полноценную реализацию алгоритмов трассировки лучей, а предлагают гибридный вариант, когда база создается методом растеризации, и уже на эту базу накладываются эффекты. Но даже такой промежуточный вариант работает только при активной помощи ИИ, который и кадры промежуточные дорисует, и картинку растянет.
Есть, впрочем, один вариант, при котором рендеринг с трассировкой лучей мог бы полноценно стать массовым. Дорогие, прожорливые и горячие топовые видеокарты не очень подходят для домашних ПК. Да и домашние условия им не очень подходят. Зато такие карты будут отлично чувствовать себя на сервере, смонтированном в телекоммуникационную стойку датацентра. Возможно, когда и если стриминговые сервисы смогут стать массовыми, трассировка лучей при рендеринге станет востребована и игроками, и разработчиками игр.
Analisys
Шесть лет спустя говорить о «революции» в 3D-графике, увы, не приходится. Много красивых обещаний, рекламные статьи до сих пор висят на официальном сайте Nvidia. Вы сами можете оценить достоверность заголовков и содержания: «GeForce RTX: Монстры для современных и будущих игр» (2018 год, о видеокартах GeForce RTX 20xx), «На высшем уровне: игры в 8K HDR на GeForce RTX 3090» (2020 год), «Гиперреализм. Высочайшая скорость» (официальная страница RTX 4090). Чувствуете ли вы спустя шесть лет, с момента появления RTX 2080, графику нового поколения?
Да, некоторые игры действительно демонстрируют чудеса новых технологий. Тот же Cyberpunk 2077 — яркий пример. Но стоит ли считать это настоящей революцией, если значительная часть этих достижений — результат технологического партнёрства между компаниями-разработчиками и Nvidia? Сомневаемся, что это произошло бы само по себе. Даже если другие разработчики вложили максимум усилий в демонстрацию 3D-графики нового поколения, сомневаемся, что многие игроки смогли бы её увидеть. Массовые видеокарты с поддержкой RTX в новом поколении только начинают достигать производительности топовых решений шестилетней давности. Это не революция, а лишь медленное постепенное движение вперёд.
Сегодня мы сталкиваемся с ситуацией, когда игроки лишь мечтают о реалистичной графике с трассировкой лучей, а в рекламных материалах Nvidia нас убеждают, что будущее уже наступило, и отражения в зеркалах и объектах в 3D-сценах выглядят невероятно реалистично благодаря трассировке лучей от Nvidia. В этом ощущается некоторая фальшь.
* * *
Изображение на обложке сгенерировано Midjourney.
