nVidia PhysX

Od rynkowej premiery karty AGEIA PhysX minęły już ponad dwa lata. Pomysł był całkiem ciekawy – użycie osobnego procesora, zajmującego się tylko i wyłącznie obliczeniami związanymi z symulacją efektów fizycznych.
Wykonanie było już nie bardzo ciekawe. Do najważniejszych czynników, które przypieczętowały rynkową klęskę AGEIA PhysX, zaliczyć należy: wysoką cenę samej karty, niska wydajność procesora AGEIA oraz słabe wsparcie ze strony producentów gier. Jest jednak szansa, że w końcu zobaczymy w grach wysokiej klasy efekty związane z fizyką.



Na początku 2008 roku AGEIA została wykupiona przez znanego graczom producenta kart graficznych – nVidię. Siłą rzeczy można się było spodziewać, że PhysX w jakiś sposób pojawi się znów na rynku. NVidia już przy premierze GeForce’ów 8x00 zachwalała uniwersalność obliczeniową jednostek cieniowania nowych układów i już wtedy deklarowano, że obliczenia efektów fizycznych będą mogły zostać przeniesione na kartę graficzną.

Trochę wody w Wiśle musiało jednak upłynąć. Niemniej jednak deklaracje stały się w końcu faktem. 12 sierpnia bieżącego roku nVidia udostępniła sterowniki, pozwalające wykorzystać jednostki cieniowania kart graficznych zbudowanych w oparciu o układy GeForce 8 i nowszych do obliczeń efektów fizycznych we wszystkich tytułach korzystających z technologii PhysX.

Czym tak w zasadzie jest fizyka w grach? Jest to opis wszelkich zachowań obiektów i ich interakcji. PhysX nie służy więc do renderingu grafiki, a jest jakby w „niższej” warstwie i z jego pomocą wykonywane są obliczenia dotyczące zachowania obiektów, a wręcz ich cząsteczek. Przykładowo wygenerowanie tryskającej z rury wody przy użyciu PhysX wymaga opisania, jak poszczególne cząsteczki wpływają na siebie, jak mają się zachować po natrafieniu na ewentualną przeszkodę, jaki wpływ na nie ma grawitacja czy gęstość i ciśnienie ośrodka, w którym się znajduje.

Jaka jest korzyść z przerzucenia obliczeń związanych z efektami fizycznymi z procesora głównego na kartę graficzną? Tu akurat wyjaśnienia nie trzeba zbyt długo szukać. GPU to bardzo specjalizowane układy, dysponujące jednocześnie potężną mocą obliczeniową. CPU, obarczone dodatkowo bagażem zaszłości architektury x86, po prostu nie są w stanie odpowiednio szybko dokonywać takiej ilości obliczeń. Przykładowo procesor jest w stanie obsłużyć jednocześnie około 4 tysięcy obiektów (np. cząsteczek wody), podczas gdy karta graficzna klasy GeForce’a 9800 GTX – 16 razy więcej (64 tysiące obiektów). Dzięki akceleracji obliczeń związanych z fizyką realizowaną przez karty graficzne, możemy się spodziewać takich efektów, jak:

eksplozji z fruwającymi dookoła odłamkami, których zachowanie będzie obliczane w czasie rzeczywistym, a nie opisane na stałe skryptami;
bardziej realistycznego odwzorowania zachowania tkanin lub włosów. Powiewające na wietrze flagi wreszcie będą mogły wyglądać tak, jak powinny, a do tego będzie je można np. podziurawić pociskami i doprowadzić do rozerwania;
bardziej interaktywnych środowisk, w których porusza się gracz – więcej elementów będzie można zniszczyć, bądź zniszczenie jednego wpłynie na kondycję innego elementu – np. wybuch granatu spowoduje zawalenie się konstrukcji drewnianego baraku;
bardziej realistycznego odwzorowania zachowania płynów, dymów, cząsteczek ziemi, a w większej skali – np. roślinności;
ciekawszych, futurystycznych broni wykorzystujących efekty związane np. z grawitacją.
Oczywiście – wszystko zależy od tego, jak wiele elementów i tego jak reagują w interakcji z innymi obiektami zostanie uwzględnionych w silniku gry. Stawia to wyższe wymagania zarówno projektantom gier, jak i… samym komputerom, na których będziemy takie silniki uruchamiać. Trzeba bowiem pamiętać, że obliczenia związane z efektami fizycznymi przy użyciu PhysX nie są w 100% przerzucone na GPU. Częściowo uczestniczy w nich CPU i to on może stanowić ograniczenie. Innymi słowy – bardzo możliwa jest sytuacja, kiedy konfiguracja z dwoma kartami GeForce 9800 GTX (jedna przeznaczona do obliczeń grafiki, druga – fizyki) i dwurdzeniowym, dość wysoko taktowanym procesorem (dajmy na to Core 2 Duo E8400 z zegarem 3,0 GHz) będzie szybsza, niż PC wyposażony w czterordzeniowego Core 2 Quad Q6600 z zegarem 2,4 GHz i pojedynczym GeForce GTX 280.
Wydajność

Teoretycznie wszystko wygląda bardzo pięknie. CPU obciążany jest już bardzo mocno, a będzie jeszcze mocniej – algorytmy odpowiadające za AI przeciwników są coraz bardziej rozbudowane, wzrasta ilość czynników, które muszą zostać obsłużone przez procesor. Przerzucenie zdecydowanej większości obliczeń na znacznie wydajniejsze i lepiej przystosowane do wykonywania tysięcy operacji GPU wydaje się być strzałem w dziesiątkę. Jednak kij – jak to zwykle bywa – ma dwa końce.

Generalnie podczas korzystania z technologii PhysX możliwe są dwie sytuacje:

gramy w tytuł, którego ograniczał głównie procesor. Przerzucenie obliczeń efektów fizyki na znacznie szybszy GPU spowoduje wzrost szybkości animacji;
gramy w tytuł, którego ograniczała głównie karta grafiki. Przerzucenie obliczeń efektów fizyki na kartę graficzną spowoduje spadek szybkości animacji. Bierze się to z faktu, że np. podczas eksplozji beczki z paliwem konieczne jest wyrenderowanie znacznie większej ilości mniejszych obiektów – po prostu szczątków owej beczki. Obciążenie CPU wcale w tym momencie nie spadnie, a wręcz wzrośnie.
Możliwe konfiguracje



Na całe szczęście nVidia PhysX jest całkiem elastycznym rozwiązaniem. W zależności od konfiguracji sprzętowej możliwe są trzy różne sposoby rozłożenia obciążenia obliczeń efektów fizycznych:

Standard – w tym trybie zarówno obliczenia efektów fizyki, jak i rendering grafiki w całości spoczywa na jednej karcie graficznej;
SLI – pracujące w konfiguracji SLI karty są równomiernie obciążone obliczeniami efektów fizyki, jak i renderingu grafiki;
Multi-GPU - w systemie są dwie karty graficzne, z których jedna w całości jest odpowiedzialna za obliczenia efektów fizyki, a druga – za rendering grafiki.
Szczególnie ciekawy jest ów trzeci tryb. Po pierwsze – nie wymagana jest konfiguracja obsługująca SLI. Po drugie – nie jest wręcz wymagana płyta główna oparta o chipset nVidii! Wystarczy konstrukcja, w której można bez problemów obsadzić dwie karty graficzne. I w końcu po trzecie – można dowolnie mieszać karty graficzne. Może się więc okazać, że kolejny upgrade posiadanej konfiguracji wcale nie będzie się wiązał z wymianą karty graficznej, a z dołożeniem drugiej – wydajniejszej – na której barkach będzie leżeć renderowanie grafiki, podczas gdy stara karta zajmie się obliczeniami związanymi z fizyką.

Konfiguracja testowa

Działanie nVidia PhysX sprawdzaliśmy na – znanej już Wam z poprzednich testów kart graficznych – konfiguracji sprzętowej. Dla porządku przypominamy, co w maszynie testowej siedzi:

procesor: Intel Core 2 Duo E6550 z zegarem podniesionym z 2,33 do 3,16 GHz
płyta główna: Gigabyte GA-P35-DS3R z chipsetem P35
pamięć operacyjna: łącznie 2 GB w dwóch pracujących dwukanałowo modułach Geil o pojemności po 1 GB każdy, taktowaniu efektywnym 900 MHz i opóźnieniach 4-4-4-12
karta grafiki: eVGA GeForce 8800 GT oraz Leadtek GeForce GTX 280
dysk twardy Hitachi Deskstar HDP725050GLA360 o pojemności 500 GB, komunikujący się z kontrolerem za pomocą interfejsu Serial-ATA
obudowa i zasilacz: Chieftec LBX-01B-B-B z zasilaczem Chieftec CFT-560-A125 o mocy 560 W
system operacyjny: Windows Vista x86 PL z zainstalowanym Service Pack 1
sterowniki:

GeForce 177.79 beta dla kart graficznych
nVidia PhysX 8.07.18 dla obsługi efektów fizycznych
Dla porównania wydajności bez użycia akceleracji fizyki wykorzystaliśmy wyniki zebrane podczas wcześniejszych testów. Dla karty GeForce GTX 280 użyte były sterowniki ForceWare w wersji 177.35, dla karty GeForce 8800 GT - 169.25.

Niestety – wykorzystana w testowym komputerze płyta główna nie umożliwiała obsadzenie jednocześnie dwóch kart grafiki i przeprowadzenia testów w konfiguracji czy to SLI, czy Multi-GPU.

Dzięki uprzejmości firmy Alstor ponownie mieliśmy możliwość wykorzystania monitora EIZO FlexScan SX3031W i co za tym idzie – przeprowadzania testów nawet w rozdzielczości 2560x1600.

nVidia PhysX Pack

Sterowniki umożliwiających wykonywanie obliczeń efektów fizycznych stanowią części wydanego przez nVidię tzw. PhysX Pack. Co jeszcze można znaleźć w ważącej prawie 3 GB paczce?

Unreal Tournament 3 PhysX Mod – dodatkowe trzy mapy do gry, dosłownie naszpikowane efektami bazującymi na fizyce.
adaboom Media Converter: Beta 2 – sam program opisywaliśmy już podczas testu GeForce’a GTX 280. W skrócie – jest to konwerter formatów plików audio i video, korzystający podczas pracy z procesora karty graficznej.
Warmonger – darmowa gra FPS, której silnik umożliwia dużą interakcję z otoczeniem. W grze tej możliwe jest uzyskanie przewagi nad zespołem przeciwnika nie tylko dzięki celnym strzałom, ale niszczeniem fragmentów otoczenia.
Folding@Home – kolejna aplikacja, którą opisywaliśmy podczas testu GeForce’a GTX 280. Jest to program do przeprowadzania obliczeń metodą rozproszoną (analogicznie do Seti@HOME), tyle że teraz moc komputerów użytkowników służy do przeprowadzania symulacji zawijania białek.
Nurien – zwiastun nowej usługi sieciowej, gdzie użytkownicy będą mieli możliwość tworzenia własnych awatarów, które następnie będą brały udział w różnych grach, jak np. pokazy mody czy konkursy filmów video. Całość oparta jest o engine Unreal Tournament 3, a technologia PhysX ma być wykorzystywana do animacji tkanin, ruchu włosów czy cząsteczek dymu.

Metal Knight Zero – benchmark oparty o demo sieciowego FPSa. PhysX wykorzystywany jest do symulacji cząsteczek podczas strzałów, eksplozji, realistycznego zachowania tkanin, interakcji między obiektami.
Great Kulu – interaktywne demo technologiczne. Do animacji schwytanego stwora wykorzystywana jest technologia symulacji ciał miękkich, będąca częścią PhysX. Demo pokazuje, w jaki sposób można oddziaływać na tytułowego Kulu, jak również obrazuje interakcje między miękkim ciałem, a środowiskiem.



nVidia Fluid – kolejne demo technologiczne, tym razem prezentujące hydrodynamikę cząsteczek płynnych. Dostępne są dwie sceny: Plenerowa oraz Logo. W pierwszej z nich przedstawiany jest płyn zalewający pewien obszar, w którym umieszczone są różne ciała stałe. Możliwa jest zmiana płynu z ciemnej, zabarwionej wody na przezroczystą, jak również na olej oraz pokazanie prawdziwej natury płynów. W scenie Logo prezentowana jest symulacja cząsteczek płynów w zamkniętym środowisku.

[napisze tylko tyle...a jak ktoś chce więcej to pisać na pw]