GPU нужно разогнать в 2000 раз для достижения анатомического предела

На конференции для игровых разработчиков DICE ^[1] Тим Суини (Tim Sweeney) из компании Epic Games представил свои расчёты, какой должна быть производительность графических карт, чтобы они обеспечили максимальное качество, воспринимаемое человеческим зрением (видеозапись выступления, 30 минут ^[2], слайды ^[3]).

Тим Суини занялся математикой не просто так, а потому что в последнее время стала популярной точка зрения, якобы современное поколение игровых приставок имеет уже «достаточную» производительность — и следующее поколение может стать последним. По мнению Суини, об этом не может быть и речи. Он приводит расчёты, что для обсчёта эффектов, заметных на разрешении человеческого глаза 8000х4000, производительность GPU должна вырасти в 2000 раз до примерно 5000 терафлопс.

Тим Суини, основатель компании Epic Games и автор движка Unreal, пользуется в игровой индустрии не меньшим авторитетом, чем Джон Кармак.

Тим Суини начал своё выступление напоминанием известного видео ^[4], где маленькая девочка листает глянцевый журнал, пытается тыкать в него пальчиком и в итоге приходит к выводу, что это просто сломанный iPad.

Он сравнивает характеристики современных систем компьютерной графики с характеристиками человеческого зрения (120 миллионов монохромных фоторецепторов, 5 миллионов цветных фоторецепторов, сжатие с потерями в оптическом нерве).

Анатомический лимит восприимчивости человеческого глаза — кадры размером около 30 мегапикселов, 72 FPS. На сегодняшний день техника способна обеспечить только 2560х1600 пикселов на плоских дисплеях (угол обзора 30°) и 8000х4000 пикселов в системах панорамного обзора (90°). Чтобы добиться такой производительности, GPU должен обрабатывать 20-40 миллиардов шейдеров в секунду, то есть в 50 раз больше, чем сейчас. Казалось бы, достаточно всего двух новых поколений GPU, но на самом деле всё не так просто. Дело в том, что достижения фотореализма нужно увеличивать сложность математических расчётов визуальных сцен: увеличивать приближение к фотореализму или аппроксимацию в расчёте освещения, теней, отражения в воде, свойств материалов, конструкции каждого объекта и т.д.

На одном и том же разрешении можно запускать игры разной вычислительной сложности: игры первого уровня аппроксимации (Doom, 1993), второго уровня (Unreal, 1998), третьего уровня (Samaritan, 2011) и так далее. Уже сегодня 99% шейдеров остаются за кадром, но на них нужно тратить вычислительные ресурсы.

Например, для Doom было достаточно 10 мегафлопс, для Unreal — 1 гигафлопс, для Samaritan — 2,5 терафлопс. При увеличении уровней аппроксимации —добавлении фотореалистической кожи, тумана, дыма и так далее — требуемая производительность GPU будет расти в геометрической прогрессии. Есть ещё и другие вычислительные проблемы, для которых мы пока не можем добиться приемлемого уровня приближения к реальности, даже если задействовать вычислительную мощь всех компьютеров мира — это, в том числе, расчёт свойств характера, мыслей персонажа, передвижения, речи и т.д.

В итоге, для истинного фотореализма нам потребуется что-то в районе 5000 терафлопс. Для справки, Xbox 360 выдаёт сейчас только 0,25 терафлопс. Так что разработчикам аппаратного обеспечения ещё есть над чем работать, и пока мы не приблизимся к 5000 TFLOPS, то будем наблюдать существенный прогресс в компьютерной графике.

Разработчики железа уже приблизились к атомному уровню транзисторов но у них всё равно ещё есть способы, чтобы соблюсти закон Мура — например, конструирование трёхмерных микросхем, то есть слои процессора можно накладывать по вертикали благодаря последним достижением 3D-печати, считает Тим Суини. Может быть, появятся давно обещанные квантовые компьютеры. Если же говорить о физических лимитах на вычислительную способность микросхем, то до границы Бекенштейна ^[5] ещё очень далеко, она в 10²⁷ выше текущей производительности процессоров, так что закон Мура можно ещё спокойно соблюдать около 180 лет.

Автор: alizar