算力重構,通向 Metaverse 的階梯

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摘要

此文為國盛區塊鏈研究院《元宇宙:網際網路的下一站》的後續篇,著重討論Metaverse對算力、硬體的需求,無論雲遊戲、區塊鏈遊戲,算力是保證可觸達性的基礎。

算力是元宇宙最重要的基礎設施。構成元宇宙的影象內容、區塊鏈網路、人工智慧技術都離不開算力的支撐。元宇宙並不是網路遊戲,但與遊戲類似的是,元宇宙是一個承載活動的虛擬世界。算力支撐著元宇宙虛擬內容的創作與體驗,更加真實的建模與互動需要更強的算力作為前提。遊戲創作與顯示卡發展的飛輪效應,為元宇宙構成了軟硬體基礎。以算力為支撐的AI技術能夠輔助使用者創作,生成更加豐富真實的內容。依靠算力的POW(工作量證明機制)是目前區塊鏈使用最廣泛的共識機制,算力的護城河保障著數字世界的去中心化價值網路。

雲遊戲透過改善現有的遊戲運算架構,能夠解決低門檻高體驗的難題。雲遊戲是以雲端計算為基礎的遊戲方式。遊戲在伺服器端執行,並將渲染完畢後的遊戲畫面壓縮後透過網路傳送給使用者,使用者所使用的裝置終端,只需具有基本的影片解碼能力和網路連線功能即可體驗雲遊戲。而云遊戲透過將計算與顯示分離,降低了裝置門檻。打破了平臺的限制,PC、主機遊戲均可在移動平臺上進行暢玩。雲遊戲技術要求高,經過數年發展已趨於成熟。雲遊戲主要有5個核心技術:GPU伺服器、虛擬化、音影片技術、實時網路傳輸、邊緣計算。目前各核心技術均已趨於成熟,雲遊戲的落地未來可期。

5G、邊緣計算和智慧網絡卡的發展能夠最佳化雲遊戲的延時和穩定性,大大提高雲遊戲的體驗。在雲遊戲中,玩家的每個輸入都必須返回上游到遊戲引擎,計算雲中的遊戲圖形變化,將其編碼為影片,然後將其傳送迴游戲玩家。這個過程被稱為互動延遲,而正常情況下對於每個玩家的操作反饋應該是即時和連續的。5G和邊緣計算能夠在網路傳輸和穩定性上進行最佳化,改善雲遊戲的互動體驗。而DPU智慧網絡卡透過改進伺服器端的運算架構,減少資料處理的延時。

元宇宙或催生新的硬體市場。私有云遊戲是指透過區域網內的算力運算,並將影象傳輸至終端。遊戲庫位於使用者本地,使用者本地的高效能算力裝置充當資料中心進行內容分發,以使用者自有的Wi-Fi和運營商5G網路為傳輸介質,第一方或者第三方軟體為終端實現的遊戲串流體驗。遊戲、挖礦、家用AI的共同需求可能在硬體端實現統一,與區塊鏈經濟的結合可能產生新的硬體機會,誕生類似於“元宇宙礦機”的全新硬體裝置。

投資建議:圍繞算力重構,重視硬體機會。算力作為元宇宙最重要的基礎設施,元宇宙將推動算力發展:第一,由虛擬世界驅動的算力需求增長;第二,算力分佈的結構性升級。算力架構的升級將是元宇宙的投資機會之一,推薦關注算力終端裝置、閘道器裝置、邊緣計算裝置和雲遊戲商業模式的發展。重點標的:(1)邊緣計算:光環新網、順網科技、廣和通、美格智慧;(2)IDC:浪潮資訊、寶信軟體、資料港、奧飛資料、英維克;(3)智慧網絡卡:英偉達、英特爾;(4)通訊基建:中興通訊;(5)終端裝置:紫光股份、星網銳捷;(6)晶片及通訊模組:樂鑫科技、博通整合、新易盛、中際旭創、天孚通訊

風險提示:技術創新不及預期;區塊鏈政策監管風險。

算力——元宇宙最重要的基礎設施

我們在上一篇深度報告中提出“BAND”(Blockchain、Game、Network、Display)的概念,而云遊戲、邊緣算力是面向中心化、去中心化架構時重要的基礎設施,或將催生新的硬體需求,此文我們單獨討論算力問題。

算力可以理解為資料處理能力,以2018 年諾貝爾經濟學獎獲得者William D. Nordhaus 在《計算過程》一文中對算力進行定義:“算力是裝置根據內部狀態的改變,每秒可處理的資訊資料量”。

算力是構建元宇宙最重要的基礎設施。構成元宇宙的虛擬內容、區塊鏈網路、人工智慧技術都離不開算力的支撐。元宇宙並不是網路遊戲,但與遊戲類似的是,元宇宙是一個承載活動的虛擬世界。相較於遊戲所看重的娛樂性,元宇宙的重點更在於這個虛擬時空的體驗,和人們在其中的社交與活動。但與遊戲類似的是,元宇宙也需要圖形顯示、成熟的顯示技術作為支撐。

虛擬世界的圖形顯示離不開算力的支援。計算機繪圖是將模型資料按照相應流程,渲染到整個畫面裡面的每一個畫素,因此所需的計算量巨大。現在使用者裝置裡顯示出來的3D的畫面,其實是透過多邊形組合出來的。無論是玩家的各種遊戲,還是精細的3D模型,裡面的模型,大部分都是透過多邊形建模(Polygon Modeling)建立出來的。實際這些人物在畫面裡面的移動、動作,乃至根據光線發生的變化,都是透過計算機根據圖形學的各種計算,實時渲染出來的。這個渲染過程需要經過頂點處理、圖元處理、柵格化、片段處理以及畫素操作這5個步驟:

1、頂點處理:將三維空間的模型頂點為主,轉換到顯示器的二維空間。建模越精細,需要轉換的頂點數量就越多,計算量就越大。

2、圖元處理:要把頂點處理完成之後的各個頂點連起來,變成多邊形。其實轉化後的頂點,仍然是在一個三維空間裡,只是第三維的 Z 軸,是正對螢幕的“深度”。

3、柵格化處理:把多邊形轉換成螢幕裡的一個個畫素點。

4、片段處理:計算出每一個畫素的顏色、透明度等資訊後,給畫素點上色。

5、畫素操作:把不同的多邊形的畫素點“混合(Blending)”到一起,調整畫素資訊以達到顯示效果。

算力支撐著元宇宙虛擬內容的創作與體驗,更加真實的建模與互動需要更強的算力作為前提。遊戲創作與顯示卡發展的飛輪效應,為元宇宙構成了軟硬體基礎。遊戲產業每一次重大的飛躍,都源於計算能力和影片處理技術的更新與進步。遊戲3A大作往往以高質量的畫面作為核心賣點,充分利用甚至壓榨顯示卡的效能,形成“顯示卡危機”的遊戲高質量畫面。遊戲消費者在追求高畫質高體驗的同時,也會追求強算力的裝置,從而形成遊戲與顯示卡發展的飛輪效應,這在極品飛車等大作中已有出現。

以算力為支撐的AI技術能夠輔助使用者創作,生成更加豐富真實的內容。構建元宇宙最大的挑戰之一是如何建立足夠的高質量內容,專業創作的成本高的驚人,3A大作往往需要幾百人的團隊數年的投入,而UGC平臺也會面臨質量難以保證的困難。為此,內容創作的下一個重大發展將是轉向人工智慧輔助人類創作。雖然今天只有少數人可以成為創作者,但這種人工智慧補充模型將使內容創作完全民主化。在 AI 工具的幫助下,每個人都可以成為創作者,這些工具可以將高階指令轉換為生產結果,完成眾所周知的編碼、繪圖、動畫等繁重工作。除創作階段外,在元宇宙內部也會有NPC參與社交活動。這些NPC會有自己的溝通決策能力,從而進一步豐富數字世界。

依靠算力的POW是目前區塊鏈使用最廣泛的共識機制,去中心化的價值網路需要算力保障。PoW機制是工作量證明機制,即記賬權爭奪(也是通證經濟激勵的爭奪)是透過算力付出的競爭來決定勝負準則,從經濟角度看,這也是浪費最小的情況。為了維護網路的可信與安全,需要監管和懲戒作惡節點、防止51%攻擊等等,這些都是在PoW共識機制的約束下進行。

元宇宙將推動算力發展:第一,由虛擬世界驅動的算力需求爆發增長;第二,算力分佈的結構性升級。當前的算力架構已無法滿足元宇宙對於低門檻高體驗的需求,而運算與互動裝置的分離已成為趨勢。雲遊戲將使一個低門檻、隨處可達的虛擬世界成為可能。

雲遊戲,算力重構打造元宇宙入口

傳統遊戲以終端算力支援為主,基於雲端計算的雲遊戲處於發展初期。主機遊戲在網路通訊不穩定,網速不足的歷史環境下為玩家帶來了穩定的遊戲體驗。而隨著網路資料傳輸不再成為資料傳輸中的薄弱項時,雲遊戲的缺點減弱,主機遊戲的缺點開始顯露。

終端遊戲運算限制了使用者體驗,低門檻與高質量無法兩全。一直以來遊戲都被稱為硬體殺手,遊戲引擎技術的發展要快於使用者硬體裝置的更新換代速度,很多時候使用者在用不算很舊手機或者電腦玩最新的遊戲時,會遭遇頻繁的卡頓,導致遊戲體驗非常糟糕。裝置門檻與遊戲畫面質量的取捨是傳統遊戲的痛點,也是網路遊戲向元宇宙發展的一大阻礙。

雲遊戲是以雲端計算為基礎的遊戲方式。遊戲在伺服器端執行,並將渲染完畢後的遊戲畫面壓縮後透過網路傳送給使用者,使用者所使用的裝置終端,只需具有基本的影片解碼能力和網路連線功能即可體驗雲遊戲,雲遊戲和使用者資料儲存在伺服器上,可以實現多端存檔和資料共享,本地終端無需下載、安裝遊戲和儲存使用者資料,雲遊戲脫離終端限制,可以跨終端,實現了在雲端伺服器執行遊戲。

而云遊戲透過將計算與顯示分離,降低了裝置門檻。雲遊戲透過將遊戲運算過程轉移到雲端伺服器,使得遊戲不再依賴遊戲終端的硬體能力,玩家再也無須透過堆硬體的方式體驗最新的遊戲。雲遊戲平臺透過大規模的伺服器叢集,硬體能力非常強大,幾乎可以看成是無限的。透過連線雲遊戲平臺,使用者使用手機、平板等移動裝置也能體驗最新的主機級大型遊戲,為整個遊戲行業注入了新的生命力。

雲遊戲的可移植性,打破了平臺的限制,PC、主機遊戲均可在移動平臺上進行暢玩。多平臺性起到了一定的導流作用。降低了未來遊戲的開發成本。從開發者角度來看,運營平臺統一,不同機型的適配降低;在脫離裝置限制前提下,也能夠集合統一終端裝置,降低開發成本。

雲遊戲進入加速落地階段。我們對雲遊戲的發展進行了粗略的預測劃分:第一階段,需要把雲遊戲平臺搭建好,並把已經開發好的遊戲搬到雲遊戲平臺上;第二階段,在市場接受雲遊戲後,開發者基於雲遊戲的優勢,開發擴充套件遊戲玩法型別,催生出新的遊戲形態;第三階段,雲遊戲成為最主流的遊戲模式,使用者透過VR遊戲裝置獲取類似“頭號玩家”的虛擬沉浸式遊戲體驗。

雲遊戲技術要求高,經過數年發展已趨於成熟。雲遊戲主要有5個核心技術:GPU伺服器、虛擬化、音影片技術、實時網路傳輸、邊緣計算。目前各核心技術均已趨於成熟,雲遊戲的落地未來可期。首先是GPU伺服器,隨著AI、大資料的發展,推動了高密度GPU伺服器的發展。虛擬化技術包含了虛擬機器、容器等隔離技術,近年來得到了長足的發展。伴隨短影片、直播業務的發展,提升了編解碼的效率,擴大了硬體編解碼的市場普及度,音影片技術趨於成熟。隨著5G落地,網路將更加優質高效,能夠支援雲遊戲的要求。最後,邊緣節點的建設也已經比較成熟,能夠更好的降低網路擁堵。

雲遊戲的參與者主要有以下幾種:

1)傳統硬體廠商。硬體廠商產品週期受遊戲的影響,為了避免雲遊戲時代使用者硬體更新的需求下降,部分硬體廠商選擇主動佈局雲遊戲產業,如英偉達推出了GeForce Now雲遊戲平臺。

2)主機遊戲廠商。主機遊戲廠商先天優勢明顯,多年來積累了大量核心使用者及豐富的遊戲內容資源,是雲遊戲時代最具優勢的參與者。微軟擁有Project xCloud雲遊戲專案,索尼則擁有PlayStation Now為使用者提供雲遊戲服務。

3)遊戲內容製作方。雲遊戲有望幫助遊戲內容製作方擺脫硬體裝置的制約,帶來全新的想象空間。EA公司推出名了Project Atlas的雲遊戲平臺,育碧推出了《刺客信條:奧德賽》雲版,探索雲遊戲時代的產品型別。

4)網際網路公司。網際網路公司擁有巨大的流量入口,雲遊戲能夠打破硬體限制,提升內容價值。代表公司有Google和騰訊。

但云遊戲的體驗中依然存在重大問題:

網路穩定性:丟包對遊戲體驗的影響極大。在使用影片會議時,1%的丟包率是可以接受的。但是,根據《Gaming in the clouds: QoE and the users’ perspective》中包含的測試和結論,當丟包率等於或大於0.3%時,雲遊戲使用者的體驗感迅速降低。資料包丟失對下行鏈路的影響將導致串流影片嚴重碎片化,對上行鏈路的影響是操作丟失。目前大多數雲遊戲提供商建議至少 10-15 Mbps 的下行鏈路速度,以獲得 720p 解析度和 60 FPS 的立體聲。這種網速要求和顯示質量的手機遊戲來說已經足夠了,但對於想要在高畫質螢幕或者VR裝置上享受終極沉浸式體驗的遊戲愛好者來說還遠遠不夠。

遊戲延時:

雲遊戲的延時不可避免。在雲遊戲中,玩家的每個輸入都必須返回上游到遊戲引擎,計算雲中的遊戲圖形變化,將其編碼為影片,然後將其傳送迴游戲玩家。這個過程被稱為互動延遲,而正常情況下對於每個玩家的操作反饋應該是即時和連續的。根據諾基亞的測算,所需的標準延遲配置檔案往返大約為 100 毫秒,其中網路傳輸不應超過 30 毫秒。然而,對於沉浸感強的遊戲,比如FPS、VR遊戲,這種延時會非常影響體驗。

諾基亞對雲遊戲延時的細分如下:

使用者互動:使用者命令必須在約 15 毫秒內透過網際網路到達雲遊戲伺服器

遊戲伺服器處理:伺服器將需要大約 45 毫秒來處理輸入和所需的輸出(包括渲染和編碼影片幀)

影片流:流量將再次需要約 15 毫秒才能到達雲遊戲裝置

解碼和渲染:雲遊戲裝置將需要另外約 15 毫秒的時間進行解碼和渲染

沉浸感強的互動方式,如第一人稱、VR互動,對雲遊戲延時的要求更高。低延遲對於多人遊戲至關重要,並且經常被遊戲玩家引用為雲遊戲的主要阻力點。我們估計智慧手機遊戲的理想運動到光子延遲為 70 毫秒,或者大約 30FPS 的兩個完整幀,60FPS 的四個完整幀。對於虛擬現實等未來的頭戴式顯示解決方案,頭部跟蹤提出了特別苛刻的要求,延遲可能會導致超過 20 毫秒的暈動病。

而5G、邊緣計算和晶片架構的發展,將能夠減少延時、提高遊戲體驗,為雲遊戲發展掃清障礙。邊緣計算和 5G 連線透過將高計算處理能力放置在更靠近使用者和裝置的位置,同時提供支援高質量、多玩家遊戲體驗所需的頻寬,從而幫助滿足低延遲、高頻寬要求。

5G提速為雲遊戲發展帶來關鍵性機遇。2019年是中國5G商用元年,2020年5G建設程序大幅提升,僅中國全年新建開通5G基站超60萬個。5G時代網路主打超高速、低延時、海量連線、泛在網、低功耗,能在節省能源、降低成本的同時提高系統容量和大規模裝置連線能力。5G的三大特性,能夠支援各種應用創新,諸如雲遊戲,可透過5G傳輸,在雲端完成渲染,以超低時延幫助使用者獲得媲美本地主機的渲染質量。

邊緣計算是一種分散式運算的架構,其將應用程式、資料資料與服務的運算由網路中心節點移往網路邏輯上的邊緣節點來處理。由於邊緣節點(如智慧裝置、手機、閘道器等)離使用者或資料來源頭更近,因此資料的傳輸和處理速度可以有效提升,減少延遲。

將圖形運算能力放在更接近需要的地方可以給玩家更好的體驗。邊緣計算可以為所有裝置提供高質量的互動式遊戲體驗,從而增加遊戲玩家的體驗感。根據聚光燈網的調查結果,遊戲玩家認為畫面表現是雲遊戲體驗最關鍵的方面,這意味著遊戲玩家對其遊戲質量有很高的要求。透過創造統一的體驗,遊戲玩家將把雲遊戲視為一種可靠的選擇。

演算法穩定幣(Ampleforth、BAC、UST、FEI):成功的先決條件是流動池作為“抵押資產”。

傳統算力中心的架構無法適應日益增長的算力需求。可預見的未來,網路和儲存的頻寬還會持續的增加,暫時看不到停頓的跡象。而與此同時,CPU的效能卻陷入了停滯。這樣,以CPU計算為中心的架構越來越無法滿足計算效能的要求。

DPU的發展為算力中心降本增效,最佳化雲遊戲體驗。DPU,全稱是Data Processing Unit,是繼承CPU、GPU之後,資料中心場景中的第三顆重要的算力晶片,為高頻寬、低延遲、資料密集的計算場景提供計算引擎。如果把一臺計算機或伺服器比作一個團隊,CPU相當於這個團隊的“大管家”,負責思考並處理各種業務;GPU是“美工”,專攻影象處理;DPU則相當於“前臺”,負責打包、拆包“資料包”,提升整個團隊的工作效率。DPU的運用可以降低算力中心成本,提高運算效率,提高雲遊戲體驗的同時降低成本。

中心化or去中心化?

在區塊鏈技術的加持下,去中心化的雲遊戲模式可能產生新的硬體機會。雲遊戲所推動的算力重構是計算與互動終端分離,並且在物理層面接近終端。邊緣算力中心的部署位置將會產生完全不同的商業模式,去中心化的私有云遊戲目前已有雛形。我們預計,遊戲、挖礦、家用AI的共同需求可能在硬體端實現統一,與區塊鏈經濟的結合可能產生新的硬體機會,誕生類似於“元宇宙礦機”的全新硬體裝置。

私有云遊戲是指透過區域網內的算力運算,並將影象傳輸至終端。遊戲庫位於使用者本地,使用者本地的高效能算力裝置充當資料中心進行內容分發,以使用者自有的Wi-Fi和運營商5G網路為傳輸介質,第一方或者第三方軟體為終端實現的遊戲串流體驗。

私有云遊戲在降低終端門檻的同時,不改變現有遊戲的商業模式。公有云遊戲,但傳統的主機玩家和PC玩家未必樂見此景。並不是所有玩家都願意為“隨時隨地玩遊戲”再多花一份租金。目前已經出現了一些區域網遊戲串流平臺,讓家中的Wi-Fi路由器與主機或PC連線,在家中實現免費的遊戲串流體驗,再透過行動網路在室外實現免費的雲遊戲體驗。私有云遊戲在把終端與計算分離的同時,不改變現有的遊戲商業模式,玩家依舊擁有遊戲而不用付出額外的費用。

Wi-Fi 6保障了區域網遊戲串流的體驗。Wi-Fi 6是IEEE 802.11ax標準的簡稱和新的標準名稱,相比Wi-Fi 5或者說802.11ac,密集使用者環境下實際吞吐量提升4倍,標稱傳輸速率提升37%,延遲下降75%,在更擁擠的無線網路環境下,Wi-Fi 6相比Wi-Fi 5會更加遊刃有餘。一方面新加入的MU-MIMO技術能夠在多裝置前提下營造更穩定的網路環境,另一方面更高的頻寬頻來的低延遲能讓競技性遊戲實現串流遊玩變得更加現實。經過我們的實際體驗(基於steamlink平臺),在Wi-Fi6的加持下,區域網的大型遊戲串流的穩定性和操作反饋延時遠勝於公有云遊戲,體感已和主機遊戲差別不大。

將算力置於C端能更有效地延續裝置與內容的飛輪效應。從晶片的發展可以看到,客戶端的圖形處理能力在以更快的速度提高。儘管網速、可靠性和頻寬都在提高,但客戶端(移動端、PC、Console)處理能力正在以更快的速度提高。因此,將實時處理放在延遲牆靠近客戶端的一側能夠延續遊戲主機與遊戲內容的飛輪效應,更有可能獲得全面的成功。

遊戲、挖礦、家用AI的共同需求可能在硬體端實現統一,與區塊鏈經濟的結合可能產生新的硬體機會,誕生類似於“元宇宙礦機”的全新硬體裝置。這種多功能的算力中心已經出現了相應的趨勢,如電動汽車中控螢幕玩大型遊戲,就是AIoT和遊戲功能硬體統一的結果。

投資建議:圍繞算力重構,重視硬體與網路的機會

算力作為元宇宙最重要的基礎設施,以雲遊戲所推動的算力架構的升級將是元宇宙的投資機會之一。終端算力向雲端和邊端轉移將是元宇宙低門檻、高體驗的保障,而區塊鏈所帶來的去中心化算力分佈可能深刻地影響元宇宙的算力重構。推薦關注雲遊戲發展帶來的硬體機會,終端裝置、閘道器裝置、晶片和IDC。

推薦標的:

邊緣計算:光環新網、網宿科技、順網科技、廣和通、美格智慧

IDC:浪潮資訊、寶信軟體、資料港、奧飛資料、英維克

智慧網絡卡:英偉達、英特爾

通訊基建:中興通訊、紫光股份、星網銳捷、新易盛、中際旭創、天孚通訊

終端裝置:歌爾股份、立訊精密

晶片及通訊模組:樂鑫科技、博通整合

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