CPU和游戲優(yōu)化

常莽

隨著AMD銳龍的橫空出世，電腦CPU進入了多核震懾的時代。同一系列的產(chǎn)品，核心翻倍已經(jīng)司空見慣，有爆料顯示Intel下一代CPU的i3將會配備4核8線程———這樣的CPU，3年前它的名字叫i7。而在高端系列中，核戰(zhàn)更是令人心驚膽戰(zhàn)，在售的AMD銳龍3900X的12核24線程已經(jīng)足以令人倒吸一口涼氣，而即將上市的3950X更是配備了16核32線程。

然而，多核CPU打游戲一定會更快嗎？不一定。排除頻率、架構(gòu)IPC的差異，某些情況下多核CPU打游戲甚至?xí)缭谀承┣闆r下，AMD的12核新品3900X，在某些游戲中要比8核的3700X更慢。

要知道從規(guī)格來看，3900X全面壓倒3700X，且不說核心多了4個，連頻率也更高（3.8/4.6GHzvs3.6/4.4GHz），3級緩存也翻了倍（64MBvs32MB），為什么會出現(xiàn)多核玩游戲更慢的情況？

游戲的多核優(yōu)化有多難

我們先從游戲?qū)Χ嗪诵牡膬?yōu)化談起吧。談游戲的優(yōu)化，就繞不開對多核的支持。什么游戲?qū)Χ嗪藘?yōu)化好、什么游戲只能“一核有難、多核圍觀”，一直是玩家們津津樂道的話題。為什么游戲在對多核心的優(yōu)化上會出問題，而視頻壓縮等應(yīng)用就能充分利用多核心？這和游戲的運行機制有關(guān)。

為何游戲喜歡用單核心

視頻壓縮這類任務(wù)可以輕易做到并行計算，例如一個線程壓縮某個片段，另一個線程壓縮另一個片段，多核一起運作，最后壓縮完成所有片段，完整視頻也就壓縮完成了。而游戲的運行一般都是線性的，某一步的運算往往會和上一步息息相關(guān)，很難充分利用多個線程。

例如在FPS游戲中，某個玩家被擊中產(chǎn)生傷害，那么這個傷害結(jié)果和子彈運行軌跡有關(guān)，需要先計算出子彈軌跡然后才能計算出傷害，這只能在一條線程中先后完成，無法通過多線程同時計算子彈軌跡和傷害。游戲想要充分利用多核，需要巧妙地將計算任務(wù)拆分成為多線程，例如不同的線程負責(zé)物理碰撞、AI行為等，技術(shù)門檻比較高，也得下更多功夫?；诖?，目前仍有大量游戲未能充分利用CPU的所有核心。

支持多核心一定優(yōu)化好嗎？

隨著時代的發(fā)展，越來越多游戲愿意在多線程優(yōu)化上做出努力。例如前幾年，經(jīng)?？梢钥吹健癷3默秒全”的情況，而現(xiàn)在的游戲大作已經(jīng)將門檻提升至4核，雙核i3已經(jīng)難堪大任。但盡管如此，仍會出現(xiàn)12核3900X表現(xiàn)不如8核3700X的情況，這又是為何？

出現(xiàn)這種情況，主要在于CPU核心調(diào)度不合理。銳龍的架構(gòu)比較特殊，每4個核心封裝成為一個CCX，每2個CCX封裝為一個CCD，核心和核心之間的通信，可以跨CCX，乃至跨CCD，而無論是CCX還是CCD之間通信，都存在延遲。

換言之，如果一個程序能夠調(diào)用多個核心，會出現(xiàn)以下幾種情況。

1.調(diào)用的多核心處于同一CCX內(nèi)，延遲最小；

2.調(diào)用的多核心跨CCX，但處于同一CCD內(nèi)，有所延遲；

3.調(diào)用的多核心跨CCX、跨CCD，延遲最大。

例如一個游戲可以調(diào)用4個核心，最理想的情況自然是調(diào)用同一CCX內(nèi)的4核，這樣能獲得最好的性能。但實際上，代碼對多核心的調(diào)用不一定這么智能，很有可能不能辨認出哪些核心位于同一CCX上。于是，游戲可能會調(diào)用位于不同CCX、CCD的多個核心，產(chǎn)生的額外延遲導(dǎo)致性能有所損失。

知道了這些，就可以解釋為什么3900X的游戲表現(xiàn)有時候還要低于3700X了。3900X封裝了2個CCD，每個CCD內(nèi)有2個CCX，每個CCX有4核心，原生共4×2×2=16核心，屏蔽了4核心后得12核；而3700X則只有一個CCD，內(nèi)含2個CCX，共4×2=8核。可見，3900X比3700X多了一個CCD，多了一種可能產(chǎn)生額外延遲的情況，如果游戲不能發(fā)揮出3900X的多核心優(yōu)勢，那么3900X表現(xiàn)遜于3700X也就在情理之中了。

因此，即使游戲?qū)Χ嗪诉M行了優(yōu)化，但在核心調(diào)度方面，也需要另外下更多功夫，才能取得最佳性能。很高興的是，微軟已經(jīng)意識到了相關(guān)問題，在Windows 10 1903中做出了優(yōu)化，系統(tǒng)會優(yōu)先調(diào)度處于同一CCX內(nèi)的核心，避免跨CCX造成的延遲。如果想要更好地發(fā)揮AMD Ryzen處理器的性能，升級到Windows 10 1903還是很有必要的。

CPU單核性能真的在擠牙膏

有人認為，目前CPU已經(jīng)很難從頻率上做性能突破，架構(gòu)亦難以進一步提升效率，堆核是性能進步的唯一之道。有的朋友從Intel的“擠牙膏”中論證這一觀點，認為CPU的同頻性能已經(jīng)多年止步不前，而AMD的Zen2架構(gòu)盡管效率相對于前代大幅提升，但也只是追上競爭對手的水平而已。用數(shù)年前的4核CPU和現(xiàn)在的4核CPU玩游戲，體驗似乎并沒有什么不同，也是一個有力的佐證。但事實是否如此？

實際上，這種觀點是片面的。之所以數(shù)年前的CPU在某些測試、某些游戲中表現(xiàn)尚可，是因為這些測試、游戲并沒有針對新CPU的指令集作出優(yōu)化。近年來，新款CPU的一大價值在于增加了AVX，AVX2，TSX等指令集。如果代碼調(diào)用了相應(yīng)指令集，能更高效地利用FMA這樣的浮點加乘混合單元，減少CPU流水線的閑置，性能表現(xiàn)可以獲得可觀的提升。

以著名的渲染軟件Cinebench為例，這是DIY玩家都相當(dāng)熟悉的CPU測試工具。最新版的Cinebench R20對比舊版的Cinebench R15，一大改進就是加入了AVX指令集的支持。在CPU對AVX指令集有較好支持的情況下，同樣的渲染項目，在Cinebench R20中跑，速度甚至要比Cinebench R15快一倍以上！新型指令集對性能的提升之巨，由此可見一斑。

支持AVX或更新的指令集已經(jīng)在渲染、視頻壓縮和科學(xué)計算等專業(yè)領(lǐng)域中漸漸成為常態(tài)，著名的Linux發(fā)行版Fedora 32甚至計劃不支持沒有AVX指令集的CPU。然而，仍有大量游戲未跟進AVX等新指令集，只支持老的SSE，新CPU跑這些游戲自然和舊款CPU沒有太大區(qū)別。在指令集支持方面，游戲?qū)PU仍缺乏應(yīng)有的優(yōu)化。

著名的游戲性能測試組件3DMark已經(jīng)意識到了這點。在新的Time SpyExtreme測試項目當(dāng)中，加入了AVX、AVX2乃至AVX512指令集支持，調(diào)用AVX512指令集跑分，成績對比SSE3跑出來的分數(shù)高了一倍有余。

AVX等新指令集在實際游戲中意義也變得越來越重大，例如《刺客信條：奧德賽》甚至不支持沒有AVX指令集的CPU（因為太激進，后來不得不重新兼容老CPU），又例如某些使用了D加密的游戲需要FMA3指令集才能正確解密運行，早年的“神U”E1230 v2只能干瞪眼；如果是PS3模擬器玩家，也有切身體會過TSX指令集下性能的飛躍。

總體而言，大部分游戲在指令集方面的優(yōu)化做得依然不夠，在缺乏指令集優(yōu)化的情況下，舊CPU和新CPU的游戲表現(xiàn)拉不出太大差距。但支持新指令集是游戲?qū)PU優(yōu)化中無法規(guī)避的環(huán)節(jié)，活用新指令集才能彰顯新款CPU應(yīng)有的價值，希望有更多游戲?qū)π碌腃PU指令集作出優(yōu)化吧。

無論是增加CPU核心多線程，還是使用新型指令集提升SIMD性能，都可以大大增強CPU的性能。就消費市場而言，AMD似乎更多地走了多核路線，而Intel則致力于推行新指令集。但無論是哪種發(fā)展方向，都需要相應(yīng)的軟件對此作出優(yōu)化，才能發(fā)揮出CPU應(yīng)有的性能。

現(xiàn)在早已經(jīng)不是改一行代碼就能發(fā)揮出新CPU的全部性能的時代，多核心和先進指令集，限于匱乏游戲支持的現(xiàn)狀，都不得不淪為“戰(zhàn)未來”。CPU并沒有在“擠牙膏”，游戲?qū)PU的優(yōu)化也遠未到盡頭，希望未來我們能看到更多能發(fā)揮出CPU真正功力的游戲吧。