计算与元宇宙（上篇）：算力需求为何将会迎来爆炸？

RNDR渲染网络｜2021-08-11 16:46

跟随数字媒体分析师、Amazon Studio前主管、媒体思想领袖Matthew Ball一起了解计算与元宇宙的相辅相成。

本文是数字媒体分析师、Amazon Studio前主管、媒体思想领袖Matthew Ball撰写的“元宇宙基础知识（The Metaverse Primer）”系列的第4篇文章，着重介绍计算在“元宇宙（the Metaverse）”中的作用。在这里，对于计算的定义是，“实现和提供算力，以支持元宇宙以及相关的多种高要求功能，包括物理计算、渲染、数据协调和同步、人工智能、投射、动作捕捉和翻译。”

元宇宙对算力的需求有多大？

在硬件和社交网络方面，我简单考虑了下元宇宙中将会新增的数据的一小部分，即将会生成，发送和接收的数据，比如触觉、面部扫描、实时环境扫描。而整体的新增数据将比这些大几个数量级。

比如，英伟达的创始人和CEO黄仁勋（Jensen Huang）认为沉浸式模拟的下一步将不仅仅是更为真实地模拟爆炸或是街头比赛，而是多元运用“分子物理学、重力学、电磁学、电磁波，包括光波和无线电波，以及压力和声音的原理。”

正如虚拟世界将被增强，“现实”世界也是如此。每年，都将有更多的传感器、摄像头、物联网（IoT）芯片集成到我们周围的物理世界中，其中很多将实时与它们的虚拟模拟物连接，且后者也能够反过来与前者交互。与此同时，我们的个人设备将成为每个人的护照，同时也是很多这些体验的发生器。简言之，我们周围的大部分世界都将实现互联和线上化，包括我们自己。

总体来看，元宇宙将持续拥有人类历史上最高的算力要求。而计算将可能继续处于极度短缺的状态。用Andreessen Horowitz合伙人Chris Dixon的话说，“全球以及人类历史上的每一种好的计算资源都出现了需求大于供给的情况。CPU算力是如此。GPU算力也是如此。”其结果是，算力的可得性和发展水平将局限和定义元宇宙（尽管终端用户不会意识到这一点）。不管你能接收多少数据，或者接收速度有多快，或因为什么原因而接收这些数据，如果用不上，一切都没用。

想一想今天最流行的类似元宇宙的体验，比如《堡垒之夜》（Fortnite）或《机器砖块》（Roblox）。虽然这些平台的独具创意让它们大获成功，但需要注意的是，它们背后的想法一点也不新鲜，只是最近才成为可能而已。开发者们早就想要打造一种多个（甚至成百上千）现实玩家在同一个共享的模拟虚拟环境中共处的体验，在这里，除了想象力，没有别的边界。

但直到2010年代中，才出现了允许上百万的消费级设备同时接入的一场比赛有100个现实玩家的游戏，也才有了足够的价格可负担的服务器端硬件，能够以近乎实时的速度同步这些信息。一旦这种技术壁垒被打破，游戏行业将会迅速被以丰富的用户生成内容（UGC）为主的游戏所占领，也将充满着大量的同时在线玩家（《自由之火》（Free Fire）、《绝地求生》（PUBG）、《堡垒之夜》（Fortnite）、《使命召唤：战争地带》（Call of Duty: Warzone）、《机器砖块》（Roblox）、《我的世界》（Minecraft））。而这些游戏正在迅速扩展到各类以往只能在现实生活中经历的媒体体验中（例如，美国饶舌歌手Travis Scott在《堡垒之夜》中进行的演唱会，以及Lil Nas X在《机器砖块》中进行的演唱会）。

“大逃杀类游戏的平均总日活已经超过了3.5-4亿人，这比3A游戏机+PC游戏市场的总和还多。对于这样一个新兴的游戏类别，这是让人惊艳的成就。感觉是一种新发现的文化雏形。”—— Matthew Ball

然而，即便在大逃杀类游戏出现四年以后，为了确保其可行性，有些小手段还是必不可少的。例如，大部分的玩家永远不会真的在一起。他们会分散在一个非常大的地图上。这意味着，虽然服务器需要跟踪每个玩家在做什么，但是每个玩家的设备不需要渲染他们（其他玩家）或跟踪/处理他们的行为。并且，当《堡垒之夜》确实把所有玩家聚集在一个限定的领域，进行社交活动时，比如一场音乐会，它将成员数量限制在50人，并且规定了他们能做什么（而不是像标准游戏模式那样）。对于处理器不太好的用户，就需要做出更多的妥协。几年前的设备将选择不下载其他玩家的自定义皮肤（因为这对游戏本身没有影响），而是用模式化的人物代替。特别值得注意的是，在手游《自由之火》（Free Fire）中，由于这款游戏的玩家大部分在新兴市场、多为中低端安卓机，因此大逃杀模式的玩家上限是50人。

“我不禁想要知道未来这些类型的游戏将会向哪些我们今天无法实现的方向发展。在《堡垒之夜》中我们的峰值是1070万玩家——但是那是10万个百人团游戏。我们能否最终将他们放在一个共享的世界中呢？那会是怎样的体验呢？随着科技的不断发展，将会有全新的游戏类型出现，是今天根本无法发明的。”——Epic Games首席执行官Tim Sweeney（2019年）

当然，这将会逐渐被解决。《使命召唤：战争地带》（Call of Duty: Warzone）在2019年进行了一场150人参与的比赛（尽管只是在高性能游戏机和个人电脑上；《使命召唤移动版》的上限是100人）。《机器砖块》也允许200个玩家共同存在在其保真度相对不高的世界中，并且正在测试中的Beta版本有望将这一人数提高到700（承诺最终达到1000以上）。英国游戏公司Improbable也甚至进行了一场有4000人参与的公测。

不过实现更多用户的同时在线并不是我们对计算设备的唯一要求。我们还希望我们在《堡垒之夜》中的角色可以有更多自定义的物品，而不仅仅是一套服装和一个背包。比如不一样的鞋子和帽子？再比如，真正参与到一场虚拟音乐会中，而不是仅仅进入一个基本无法互动的、围起来的区域？回到之前谈到过的例子，只有不到1%的台式机和笔记本Mac电脑和个人电脑，能够哪怕在最低保真度设置下运行微软飞行模拟器（Microsoft Flight Simulator）。即便微软的新一代Xbox游戏机——在微软飞行模拟器宣传片发布后两个月问世的S系列和X系列，也还没有支持它（尽管今年晚些时候将会实现支持）。

这并不是说，所有元宇宙体验都需要复杂的瞬时处理（比如仿真会议室），更加不会每时每刻都有这种要求（沉浸式体验最好以高保真度呈现，但能够从更多设备接入好于只能从性能最好的设备接入）。

不过人类历史证明，更多的算力能够带来更多的进步——正因此如此对于算力的需求才总是超过供给。从这个角度看，黄仁勋希望模拟上帝造物的神奇手法的想法可能有些过度和不实际，但这需要我们能够预测和排除由算力带来的可能创新。谁能够想到大逃杀百人团战的实现将会给世界带来的改变？

把算力部署在哪里？

针对如何解决日益增长的算力需求及其相对的稀缺性有很多学派。一种是尽可能地在云端集中进行模拟处理，而不是在本地计算设备上。例如，云游戏服务Google Stadia和Amazon Luna在云端处理所有的电子游戏内容，然后将整个渲染后的体验以流媒体视频的形式推送到用户的设备上。客户端设备需要做的仅仅是播放视频，并发送输入信息（比如向左移动，按X）。这种方式的支持者常常把这种逻辑比喻为用电网和工业发电厂而非私人的家庭发电机给每家每户供电。这种基于云的模式让消费者可以用他们消费级、升级不频繁且价格针对个人用户有所提高的电脑，享受到企业级“计算能力难以置信”（用Jeff Bezos的话说）的设备，从而获得更好的每单位处理算力性价比，同时这些设备也更容易更换。这意味着，不管你是用的是1500美元的iPhone，还是老式的有WiFi连接和荧光屏的冰箱，你理论上都可以玩《赛博朋克2077》（Crberpunk 2077），并体验其炫酷的渲染画面。

另一种理论认为，寄希望于本地计算机的进步是更好的选择，而不是依靠远程的超级电脑却不得不随时面临网络不靠谱的煎熬（参见系列的第2篇文章）。基于云的渲染和流媒体视频是个非常有吸引力的想法，但这也毫无疑问的极大的增加了需要传输的低延时数据。如前所述，游戏内容的最低标准是60帧/秒（是视频标准的两倍），常常达到90-12帧/秒，并且最好有2K-4K的清晰度。要可靠地将这些内容同时传输给每一个希望加入元宇宙的用户，并且实现低延时，是非常非常难的。在这里，发电厂的比喻不攻自破，因为我们不会每天因为得不到足够的电力而烦难，所需要的传输速度也没有如此之快。

即便能够超低延时传输，用流媒体（而非本地处理）提供增强现实（AR）的数据也是不合理的，因为摄像头移动和接收到新输入信息的速度太快了（可以说是光速，并且可能只来自几英尺以外）。鉴于增强现实有着非常高的计算要求，很可能未来我们的核心个人设备/移动设备将可以近乎实时地完成还不错的渲染。

“试图在“延迟墙”的错误一端解决实时处理问题的尝试往往注定失败，尽管带宽和延迟在改善，但本地计算的性能提高速度更快。”—— Epic Games首席执行官Tim Sweeney

并且，迄今为止，远程计算也没能在渲染方面实现更高的效率。这是因为基于云的GPU没有通用的渲染“能力”。相反，它们是锁定的“实例”。单个GPU，无论远程或本地，都仅支持为一个用户进行渲染。还没有人找到以高效、划算并且符合现代清晰度和帧率要求的方式，将渲染能力拆分给多个用户使用的方法，就像电厂可以把电力分给多个家庭那样，或是一个CPU服务器可以支持大逃杀百人团的输入信息、地点信息和数据同步那样。

因此，渲染服务器常常面临使用率问题，因为它们需要为需求峰值做好规划。一个云游戏服务可能需要7.5万个专属服务器，在周日晚上8点的时候为美国克利夫兰市提供服务，但在周一早上4点的时候，只需要4000个服务器就够了。作为消费者，您可以购买价值400美元的GPU，并且随便地让它处于闲置不用的状态，但是数据中心的经济目标是尽可能针对需求优化硬件的利用。

这也是为什么如果客户提前从亚马逊租赁服务器（“预定实例”），AWS会给予客户一定的折扣的原因。客户获得明年可以使用服务器的承诺，因为他们预先支付了租赁费用，而亚马逊从其成本和向客户收取的费用的差价中谋利（AWS最便宜的Linux GPU预定实例，与一个PS4相当，一年的价格超过2000美元）。如果客户希望在他们需要的时候使用服务器（“现货实例”），他们可能发现订不到服务器，或是只有低端GPU可以选择，或是只有其他地区的GPU可以选择，而后者意味着较长的延时。

如果这种模式发展起来，价格会有所改善（“AWS们在预定实例上的利润就是机会”），但出租使用率低的高端GPU往往价格不菲，特别是针对企业用户来说，定价会更高。数据中心总是会产生很大的热量，需要花很多钱进行降温，从云流媒体数据向高分辨率、高帧率内容的转变也意味着更高的带宽成本。相比于本地计算，这两种费用都是额外的。

更重要的是，消费者的处理器性能的提高速度快于网络，因为它们的更新换代速度更快，也不需要真的对抗光速。这种发展并没有消除所有网络方面的挑战，但这意味着我们寄希望于由客户端设备执行更多的计算，而不是将大量视频流发送给这些设备，或许是更好的选择。随着时间的推移，事情可能发生改变，但在可预测的未来Epic Games首席执行官Tim Sweeney的观点将是正确的。