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[IT] NVIDIA Blackwell GPU浅析：AI正在回归GeForce[55P]

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1楼大中小发表于 2025-2-13 15:56 只看该作者

NVIDIA Blackwell GPU浅析：AI正在回归GeForce[55P]

CES 2025期间，NVIDIA在拉斯维加斯邀请了全球范围内的核心媒体参加时隔已久的NVIDIA Editor’s Day。这也是疫情之后，全球媒体再次相聚。能在忙碌的CES 2025展会期间，让大多数科技媒体空出宝贵的一天时间，仅针对GeForce RTX 50系列的硬件和技术展开讨论，足以见得其重要性。

这场盛会的主角，自然包括了NVIDIA Blackwell，GeForce RTX 50系列台式机GPU，乃至GeForce RTX 50系列Laptop GPU，以及围绕其所构建的一大堆技术，比如DLSS 4，Reflex 2，RTX Neural Shaders神经着色器。而这些新硬件和新技术也带来了很多问题，GeForce RTX 5090是如何做到最高画质4K 240FPS的，神经网络渲染究竟是什么，未来的游戏究竟会变成什么样子？

神经网络渲染：未来十年图形技术新基石
在CES 2025主题演讲开篇，黄仁勋就展示了一段名为Zorah的DEMO，整个DEMO由GeForce RTX 5090在后台通过DLSS 4进行实时运算，同时也昭示着神经网络渲染登上游戏实时计算的舞台，将仅由硬件堆叠的粗暴渲染方式送入淘汰进程。

神经网络渲染其实很好理解，就是将神经网络集成到渲染过程中，让性能、图像质量、游戏互动性上获得质的提升，从而获得更好的游戏沉浸感。
神经网络渲染最好的体现之一就是DLSS，通过低分辨率渲染帧输入给训练过的神经网络，然后以全分辨率的图像输出。重点是，DLSS不仅能做到生成完整的帧，还能够理解场景的组成，包括场景中的阴影、反射和遮挡，让生成的图像效果足以媲美原生。

DLSS从2019年正式实装游戏至今，也已经发生了质的变化。最初的DLSS 1.0版本需要针对游戏进行专门的训练，在经过调整之后可以正式运行在Tensor Core中。从DLSS 3开始增加了光流加速器作为协助，使得GeForce RTX 40系列以后的GPU可以自然的在实际渲染帧之间插入生成帧,也就是大名鼎鼎的DLSS 3 帧生成技术。DLSS 3.5增加了光线重建功能，并开始引入AI模型取代降噪算法，并将训练量提升至DLSS 3的五倍。

DLSS 4则是在DLSS 3.5的基础上更进一步，第一次引入多帧生成的技术。在DLSS 3上，帧生成占据1/8的内容，到了DLSS 4，则硬件渲染实际上只占据1/16，也就是在DLSS 4游戏中，每16帧游戏画面中，实际上有15帧是由AI加速完成的。这意味着即使硬件性能变化不大的前提下，实际游戏帧率仍然可以有质的提升。再加上DLSS本身对场景中的阴影、反射和遮挡有了很好的理解，实际生成效果也远比纯靠硬件生成的效果好很多。

有意思的是，DLSS也仅仅是一个开始。在NVIDIA Blackwell上，工程师将神经网络集成到可编程着色器中，从而构成了GeForce RTX 50系列神经网络着色器（RTX Neural Shaders）。同时也可以看到，所有的Blackwell CUDA Core均支持FP32/INT32，不像Ada Lovelace CUDA Core在一个SM中，只有一半CUDA Core支持FP32/INT32，另一半仅支持FP32。

RTX Neural Shaders被认为是未来十年推动图形技术创新的基石，它可以将纹理压缩7倍，进而节省出大量的图形的显存。RTX Neural Shaders的应用范围很广泛，除了处理纹理压缩(Texture Compression)之外，也能兼顾到辐射缓存 (Radiance Caching)，材质 (Materials)和辐射场 (Radiance Fields)的计算。
RTX Neural Shaders SDK允许开发者能够在RTX AI PC上训练游戏数据和着色器代码，并通过Tensor Core加速神经表示和模型权重，在训练过程中，神经网络训练的游戏数据还会与传统渲染的游戏数据进行对比，从而获得多次迭代进化。开发团队还可以使用着色语言Slang简化训练过程，将大型复杂的函数，拆分成更小、更容易处理的部分。利用RTX Neural Shaders还能创造出高质量的纹理，帮助游戏场景实现更先进的光照效果。
微软也进而表示，DirectX也将很快对这套技术提供支持，以确保进一步发挥Tensor Core的能力，让游戏开发团队能够在Windows平台上更好的使用神经网络着色器（Neural Shaders）。

因此可以看到RTX Neural Shaders可以专注于三个方向的应用，即：
RTX神经网络纹理压缩（RTX Neural Texture Compression）
RTX神经网络材质（RTX Neural Materials）
RTX神经网络辐射缓存（RTX Neural Radiance Cache，RTX NRC）
简单的展开，可以这么理解：
RTX神经网络纹理压缩（RTX Neural Texture Compression）：利用AI在不到一分钟的时间内压缩成千上万的纹理，他们的神经网络表示可是实时存储、访问，并且可以直接加载到显存中，无需进一步修改。神经压缩纹理在相同的视觉质量下，可以比传统块压缩纹理节省7倍的显存。
RTX神经网络材质（RTX Neural Materials）：利用AI压缩离线材质的复杂着色器代码，这些材质通常由多个层次构成，比如渲染陶瓷、丝绸的场景。神经网络材质处理速度相对传统方式提升了5倍，这让游戏级的帧率渲染，拥有电影级画质成为了可能。要知道，以往好莱坞一帧高质量画面通常需要数小时甚至更多才能完成。

RTX神经网络辐射缓存（Neural Radiance Cache，NRC）：利用实时游戏数据训练的神经网络，可以更准确高效地估算游戏场景中的间接光照。NRC通过追踪1到2条光线，随后将其存储在辐射缓存中，并推断出无线数量的光线和反弹，进而更准确的表达出游戏场景的间接光照效果。这么处理，不仅让路径追踪的间接光照效果得到了改善，同时也减少了需要追踪的光线数量，性能也进一步得到提升。

值得一提，NRC现在已经可以在RTX全局光照SDK中使用，NVIDIA计划在未来几个月内通过RTX Remix推出一个全新版本的《Portal with RTX》作为RTX NRC的DEMO供业界参考。

RTX Neural Faces：让虚拟人更像真人
在现场，NVIDIA举了一个例子，工程师利用RTX Neural Shaders构架一套名为RTX Neural Faces（RTX神经网络面孔）方案，通过AI生成的方式提升游戏任务的面部质量。这套方案与传统的渲染不同，为RTX Neural Faces获取简单的光栅化面孔和3D姿势后，再利用生成式AI模型构建出更为自然的面孔，也进而释放了GPU的硬件性能。

渲染人类面孔其实是实时图形中一个非常具有挑战的任务，因为人类对人类太熟悉了，导致人类可以轻易差距到虚拟人类脸上的细微偏差，如果处理得不好，就会导致陷入恐怖谷效应，作为3D游戏的老玩家，这一大段长长的记忆一般都深有体会。
RTX Neural Faces提供了一种创新的方法，通过生成式AI来改善面部质量。与直接渲染不同，RTX Neural Face只需要简单的光栅化面孔和3D姿态数据作为基础，就可以实时通过生成式AI模型推断出自然的面孔展现。而在此之前，模型已经经过数千张离线数据的学习和训练，涵盖不同角度、光照、情感和遮挡条件。

这一训练流程可以使用真是的照片或者AI图像完成，并通过扩散模型生成不同的版本。训练好后的模型也会经过NVIDIA TensorRT优化，从而确保自然的效果。
不仅如此，RTX Neural Faces与用于头发和皮肤的RTX角色渲染（RTX Character Rendering）SDK相辅相成。因为游戏角色的头发、皮肤如果希望获得真实的展现，也同样具有很高的挑战性。但如果按照传统方式，即便使用最先进的头发技术，也需要每根发束30个三角形，整个发型400万个三角形完成，如果利用光线追踪的包围体层次加速结构（BVH，Bounding Volume Hierarchy）解决，代价非常高，速度也非常慢。

这里GeForce RTX 50系列使用了一套名为线性扫掠球体（Linear-Swept Spheres，LSS）的方式，LSS通过减少渲染发束的数量，通过球体代替三角形，能够更为精准的展现头发的形状，也使得在占用较少显存的前提下，针对头发的光线追踪成为可能。

针对皮肤也是如此，NVIDIA使用了一套名为次表面散射（Subsurface Scattering，SSS）的方式模拟了光线穿透半透明材料的效果，从而获得皮肤的柔和、自然感。这里现场工作人员利用了一个猎头蟹DEMO作为展示。

AI驱动光照和RTX Mega Geometry
随着虚幻引擎5 Nanite几何体系统的推出，开发者可以构建数亿个三角形的开放世界，光线追踪场景的复杂度也是指数级上升，每一帧不同细节层次（LOD）构建层次包围盒（BVH）的成本也呈指数级增长，按照这么发展，实时帧率将变得不可能。

对于这个复杂环境下的光照效果挑战，NVIDIA的做法是提供了一套名为RTX Mega Geometry进行更高效的组织加速结构，让开发者能够生成最多100倍的光线追踪三角形，并借助NVIDIA Opacity Micro-Maps更好的编码复杂材质的透明度，进而确保复杂场景中逼近现实的真实光照。
复杂结合体通过RTX动态光照获得了准确的照明效果，并通过最新的ReSTIR路径追踪算法，将算力集中在主要的光线路径上，RTX全局光照则使用AI驱动，从而减少光线追踪反射所需的计算量。

现在RTX Mega Geometry已经可以智能的通过GPU上批量生成三角形集群，进而减少CPU负担，提升光线追踪场景中的性能和图像质量。NVIDIA也表示RTX Mega Geometry很快也会加入到NvRTX的虚幻引擎分支中，帮助虚幻引擎Nanite几何体系统更好的完成光线追踪项目。

DLSS 4：神经网络图形进化的新形态
NVIDIA DLSS由GeForce RTX Tensor Core所驱动，进阶到近期的版本之后已经扩展成为一套相当完整的解决方案，包括提升游戏帧率，提供更清晰和更高质量的图像，目前已经有超过700款RTX游戏和应用对DLSS提供了支持。

DLSS 4最大的变化之一就是带来了多帧生成技术（Multi Frame Generation），这是GeForce RTX 50系列GPU的专属功能，意味着未来的一段时间中，只有采用GeForce RTX 50系列的台式机和笔记本才能获得对应的功能。NVIDIA表示，在DLSS 4发布时，会有75款游戏和应用率先支持DLSS多帧生成技术（DLSS Multi Frame Generation）。

NVIDIA应用与深度学习研究院副总裁，Bryan Catanzaro
（传说DLSS性能越强，他的头发越长）
如前面所说，DLSS多帧生成技术，是在传统渲染的基础上，通过AI在每一帧的基础上多生成三帧的额外帧，并且与其他的DLSS技术套件协同工作。由于DLSS本身就允许游戏实际渲染以低分辨率进行，再以全分辨率高质量输出，因此实际获得的效果是传统渲染能力的8倍，从而让GeForce RTX 5090获得在开启光线追踪最高画质的前提下，以4K 240FPS的极高帧率运行游戏。
在现场，NVIDIA用采用了DLSS 4的《赛博朋克2077》作为参考，帧率比传统渲染提升了8倍以上，同时PC系统延迟减少了50%，画质也有了进一步提升。

DLSS 4同时也是2020年DLSS 2.0发布以来，最大的AI模型升级，在DLSS 3.5上所构建的DLSS光线重建技术（DLSS Ray Reconstruction），DLSS超分辨率（DLSS Super Resolution），以及DLAA（Deep Learning Anti-Aliasing）深度学习抗锯齿技术全部引入到实时计算的Transformers模型中，用来代替此前的卷积神经网络（Convolutional Neural Networks，CNN）。
Transformers在商用领域倍广泛采用，前沿的AI模型，比如ChatGPT、Flux和Gemini均是在Transformers架构下实现的。NVIDIA表示，DLSS Transformers的引入，可以获得更好的稳定性，更少的鬼影，更高质量的运动细节，图像质量也因此获得进一步提升。

让人高兴的是，DLSS Transformers并非GeForce RTX 50系列GPU独占，所有支持DLSS光线重建技术（DLSS Ray Reconstruction），DLSS超分辨率（DLSS Super Resolution），以及DLAA的游戏后续都会转换到DLSS Transformers架构下，意味着老款GeForce RTX GPU的用户，在不花钱的前提下也能获得更好的效果。
同时，由于新技术带来的显存需求降低，帧生成技术的表现也可以同时在GeForce RTX 50系列和GeForce RTX 40系列上获得提升。只不过多帧生成技术是最新的GeForce RTX 50系列独占。

致胜新法宝：DLSS多帧生成
DLSS 3的帧生成技术是通过AI模型，利用游戏中的数据，比如运动矢量、深度，以及通过GeForce RTX 40系列GPU中的光流加速器硬件生成的光流场来获得一个额外的帧。这样的帧生成方式成本是非常高昂的，因为每一个帧生成，都需要光流加速器、AI模型共同协作，意味着GPU要花费额外的开销，进而也影响输入帧率。

Transformer模型的好处是，新帧生成通过DLSS Transformer AI模型速度提升了40%，显存使用减少了30%，并且每个渲染帧只需要运行一次，就可以生成多个帧。比如在《战锤40K：暗潮》中，利用新模型可以获得10%的帧率提升，在4K最高画质的环境下使用DLSS帧生成，能够进一步减少400MB的显存占用。
此外，DLSS 4利用DLSS Transformer AI模型代替了原来的硬件光流加速器，加速了光流场的生成，并通过两个AI模型协作，显著降低了额外帧生成的计算成本。

即便如此，GPU在渲染每一个游戏帧的时候，还是需要执行5个以上的AI模型，比如DLSS光线重建技术，DLSS超分辨率这些AI模型都必须在几毫秒之内完成，否则DLSS多帧生成就会成为性能瓶颈。
解决这个问题的首要方案就是提升硬件性能。GeForce RTX 50系列GPU的第五代Tensor Core支持FP4精度，在AI性能上能有高达2.5倍提升。与此同时，为了规避多帧生成导致CPU与GPU之间节奏的不同步，所导致的节奏波动，Blackwell中采用了硬件翻转计量方式，将帧节奏的控制逻辑转移到显示引擎中，确保Blackwell GPU可以更精确的管理显示时序，同时像素处理能力也获得增强，以支持更高分辨率和刷新率。

从NVIDIA展示的最终结果来看，DLSS 4带来的多帧生成、光线重建、超级分辨率，可以让其帧率相对传统渲染方式提升8倍，从帧生成到多帧生成可以提升1.7倍。
DLSS Transformer模型：突破CNN极限
DLSS Transformer之前，DLSS使用的是卷积神经网络（Convolutional Neural Networks，CNN）局部分析前后帧内容在区域内的连续变换，从而推导生成新的像素。从2019年至今的6年中，NVIDIA发现DLSS CNN架构已经到达极限，DLSS Transformer正是时候。

DLSS Transformer模型主要利用的是视觉Transformer，能够同时评估整个帧中每个独立像素相对重要性，并进行跨帧判断。由于DLSS Transformer模型参数比CNN多一倍，新的模型可以更好的理解场景，进而确保生成像素的稳定性，并获得更多运动细节，以及平滑的场景边缘。
特别是在高强度的光线追踪画面中，依靠DLSS Transformer构建的光线追踪重建可以更好的提升图像质量。在现场，NVIDIA通过《心灵杀手2》进行了展示，可以看到使用DLSS Transformer后，铁丝网表现得更稳定，同时风扇叶片鬼影减少，电线上的闪烁也被消除。

另外一个展示是《地平线：西之绝境》中，DLSS Transformer可以给女主角带来很好的纹理效果。

由于DLSS Transformer本身以及多帧生成技术与DLSS有很好的兼容性，因此GeForce RTX 50系列上市时候，就能获得至少75款游戏和应用的支持，与此同时，所有GeForce RTX用户也可以在超过50款游戏中体验到DLSS Transformer带来的DLSS光线重建、DLSS超级分辨率和DLAA的提升。

其中，与GeForce RTX 50系列GPU首发支持DLSS 4多帧生成技术的游戏包括：
《心灵杀手2》
《赛博朋克2077》
《夺宝奇兵：古老之圈》
《星球大战绝地：幸存者》
《黑神话：悟空》
预告支持DLSS 4多帧生成技术的游戏包括：
《永劫无间》
《漫威争锋》
《微软飞行模拟2024》
即将推出，且将会原生支持的DLSS 4多帧生成技术的游戏包括：
《黑色国度》
《毁灭战士：黑色时代》
《沙丘：觉醒》

NVIDIA Reflex 2：用Frame Warp实现乾坤大挪移
与DLSS 4对应的是NVIDIA Reflex 2，如前面所说，为了应付多帧生成带来的延迟，以及CPU与GPU之间的节奏问题，Blackwell中采用了硬件翻转计量，将帧节奏的控制逻辑转移到显示引擎中，确保Blackwell GPU可以更精确的管理显示时序。
不仅如此，NVIDIA Reflex 2的低延迟模式还和全新的Frame Warp结合，在渲染的游戏帧发送到显示器之前，就将鼠标输入的关键帧提交给最终判定，从而提升关键操作的成功率，进一步降低系统延迟。
在了解Frame Warp和NVIDIA Reflex 2如何实现之前，我们先简短的回顾游戏中操控指令的实现方式。在游戏中，玩家每一个动作都需要通过复杂的渲染管道处理之后，最终呈现在屏幕上。并且每一个步骤都会带来延迟。能做出关键操作的键盘和鼠标输入也需要先经过CPU判断，然后放在渲染队列中，最终输出到显示器上。整个过程执行通常需要数十毫秒，如果停顿和等待复杂的渲染队列，延迟还会进一步增加。因此最初、最淳朴的降低系统延迟的方式就是提升GPU性能，提升游戏帧率。

NVIDIA Reflex的做法是在游戏引擎SDK中集成对鼠标到显示器的延迟管道优化，让Reflex可以更好的控制CPU，防止CPU超前运行，让关键帧以最短的时间到达屏幕，获得更低的系统响应。

NVIDIA Reflex 2使用了不同的方式降低延迟，并且源自于一项有意思的发现。大约在2021年，NVIDIA的电子竞技研究团队发现，当游戏帧在渲染后根据更近期的鼠标输入进行更新时，玩家完成瞄准任务的速度更快，并且可以额外的减少80毫秒延迟，以及提升40%左右的关键操作准确率。

举个例子。当玩家将鼠标移向右侧的时候，通常需要等待一段时间系统才会接受到对应的操作指令，并针对新的视角进行渲染。那么这时候一个大胆的方法来了，如果这时候系统不渲染新画面，而是对现在的游戏帧向右移动或者扭曲，是不是可以更快呢？
NVIDIA Reflex 2 Frame Warp大致就是这个思路。当GPU正在渲染一个帧的时候，CPU会基于最新的鼠标、键盘输入的关键指令获得下一帧的相对位置，Frame Warp直接从CPU获得对应的新视角，并将GPU渲染的帧直接扭曲到对应的位置。这个处理过程在渲染管道中尽可能晚进行，从而确保鼠标输入指令能够更快的在屏幕上获得反应。
Frame Warp本质就是别急着渲染下一帧，而是节省资源对当前帧进行变化，这意味着实际游戏图像中会产生一些未被渲染的空白，如果这些空白太多，会直接影响到游戏的整体感受。这里NVIDIA使用了一套延迟优化的预测渲染算法，利用当前帧的相机、颜色、深度数据来弥补这些空白处，从而在体感和操控上获得一致。

从最终结果来看，NVIDIA Reflex 2可以做到让PC系统延迟降低75%，在《无畏契约》中可以做到3毫秒的延迟，这个成绩是目前全球范围内所有第一人称射击游戏中最低的。

NVIDIA ACE和数字助手
在CES 2025现场，NVIDIA ACE和数字助手也是被重点宣传的方向。虽然游戏AI在游戏世界中已经用了几十年，但实际上游戏中的NPC都是按照固定的程序套路化和玩家进行交互，NVIDIA ACE出现打破了NPC只有固定说话方式的可能性，提供了一种全新的自主交互方式。

NVIDIA ACE在2023年首次推出，是一套将生成式AI对话应用于游戏角色的技术。在生成式AI帮助下，NVIDIA ACE塑造的游戏人物会更有自主互动感，配合本地小语言模型，还可以即时响应玩家文字、音频甚至视觉互动。

这套技术现在应用到了更广的范围，CES 2025现场提供了《绝地求生》、《永劫无间手游》PC 版的NVIDIA ACE AI队友试玩，另外现场还展示《MIR5》则是由AI驱动的BOSS，根据对手的动作做出类似人类的判断。

有意思的是，《暗影火炬城》的制作团队也使用NVIDIA ACE打造了一个《动物朋克》的DEMO，通过语音或者文字与NPC进行交互。

Project G-Assist数字助手则是围绕GeForce RTX PC打造的系统级助手，你可以将它看成NVIDIA app的AI版本，通过语音、文字交互就能实时判断当前PC的性能、优化设置、效率、游戏设置等等。

Project G-Assist数字助手本质上也是由NVIDIA ACE构建，并由GeForce RTX GPU进行本地驱动，通过专门调优的本地小语言模型SLM，GeForce RTX PC可以高效的理解自然语言指令，并帮助玩家进行对应的操作。在AI PC概念盛行的当下，NVIDIA ACE加持无疑可以比一些小打小闹的AI应用助手要靠谱得多。
NVIDIA也表示，Project G-Assist数字助手在未来会直接集成到NVIDIA app中，可以通过快捷键被直接调用。

好戏还在后头
有意思的是，NVIDIA Editors Day现场内容并不局限于新硬件和新技术，从Blackwell架构，到生成式AI创作，以及围绕RTX AI PC构建的生态，都在NVIDIA Editors Day上有所展示。

就在这个月，GeForce RTX 5090、GeForce RTX 5090D评测内容将会解禁，我们还会围绕评测对Blackwell架构更稳深入的解析，比如在生成式AI创作中，GeForce RTX 5090如何利用FP4的优势，DLSS 4游戏和传统游戏的实际表现。

即便如此，我们已经可以窥见到Blackwell和GeForce RTX 50系列GPU所构建出的庞大生态，在AI、游戏、内容创作等消费端领域全面开花，展现出旗舰级产品应有的姿态，也让整个市场更加期待RTX 50系GPU的上市。
正如NVIDIA创始人兼首席执行官黄仁勋在Keynote所说：”今天的 AI，其基础是 GeForce 建立的，是 GeForce 让 AI 走进千家万户，现在，AI 也在回归 GeForce。”

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