Le Blog du Poilu

Le point de vue des protagonistes sur cette (r)évolution des jeux-vidéos

Après un premier article où je donnais mon point de vue sur l’arrivée de l’accélération matérielle des calculs de la physique des jeux-vidéos (La Prise en charge de la physique…), voici un deuxième article qui intervient après avoir lu une interview des différents acteurs de ce qui est annoncé comme la prochaine grosse évolution en matière de jeux-vidéos.

L’interview en question la-voici::
interviews sur hardocp.com
On y lit les avis détaillés et vraiment intéressant de ATI, nVidia, Havok et AGEAI, qui sont tous à un certain niveau les principaux acteurs de ce nouvel univers qui se développe.

Nous allons déjà commencer par voir quels sont les avis de chacun sur la question, ensuite nous ferons le point sur comment cela se présente, et surtout s’ils sont d’accord ou non sur l’avenir de la prise en charge matérielle de la physique dans les jeux-vidéos.

Mais avant tout il convient de savoir que l’articulation principale de ces interviews tient dans la différence entre « Gameplay Physics » et « Effects Physics ». C’est à dire: la physique utilisée au bénéfice du gameplay et celle utilisée pour ajouter des effets visuels dans le jeu.
Il apparait que depuis la présentation des solutions d’accélération matérielle de la physique le débat tient pour beaucoup dans la différence de ces deux applications et de leur prise en charge respective.

ATI

Gameplay Vs Effects

Pour commencer, chez ATI on considère l’accélération matérielle de la physique comme la prochaine grande étape (évolution) dans l’univers des jeux vidéos, au-delà de la différence entre « gameplay » et « effects physics ».
« Effects physics » consiste en l’ajout d’éléments visant à améliorer l’immersion du joueur, mais ces ajouts peuvent être optionnel. Tandis que « Gameplay Physics » rend le jeu dépendant de la prise en charge matérielle. La progression du joueur est liée à l’usage de calculs physiques (destruction d’un mur etc), ces derniers sont nécessaire pour pouvoir évoluer dans le jeu.

Prise en charge par la solution ATI

Selon ATI « Gameplay physics » et « Effects physics » ont les mêmes besoins en matière de calcul. Ainsi la solution ATI (à base de cartes en crossfire) serait tout autant capable de traiter l’un comme l’autre.

L’accélération matérielle de la physique possède un fort potentiel pour proposer des jeux encore plus immersifs. Les « gains » ne seront pas en terme de performances accrues pour le joueur, mais en terme de possibilités offertes aux développeurs d’imaginer des jeux plus abouti.
L’unique frein actuel étant le parc installé de machines capable d’effectuer cette prise en charge. Difficile pour les développeurs de proposer des jeux exploitant la physique dans son gameplay, rendant nécessaire l’accélération matérielle et donc limitant le jeux aux seuls (et encore) rares possesseurs de solutions pouvant prendre en charge cette accélération.

Impact sur les performances

Point intéressant de l’interview je trouve.
Il semblerai que la puissance de calcul des GPU actuels soit largement dimensionnée en ce qui concerne le traitement de centaines de milliers de polygones et de millions de pixel (par frame). Ajouter des objets à la scène aura, il est vrai, un impact sur les performances, mais cet impact sera le même que si on ajoutait le même nombre d’objet sans prise en charge de la physique.
Les jeux aujourd’hui sont limités par la complexité de la géométrie, du fait du gros usage des shaders dans les GPU. Cette limitation a pour conséquence une dépendance au CPU. Plus vous ajouterez d’objets dans la scène plus vous serez limités par le CPU.
Utiliser les capacités de traitement des GPU ATI permettrait donc d’ajouter un grand nombre d’objets à la scène sans pour autant baisser les performances de manière significative. Cette baisse ne serait d’ailleurs pas linéaire avec le nombre d’objets ajoutés.

En gros, l’usage de l’accélération matérielle de la physique permet d’obtenir une complexité géométrique capable de pousser dans leurs limites les vertex shaders du GPU.

nVidia

Dans cette interview on apprend quelques détails techniques intéressants sur la prise en charge par une solution SLI de la physique.

Gameplay Vs Effects

Comme chez ATI, il n’y a aucune distinction entre les calculs de « gameplay physics » et ceux concernant les simples effets.
Une petite différence cependant: avec des calculs porté sur le gameplay, il y aura plus de transferts entre le GPU et le CPU ou la RAM. Mais compte tenu de la grosse bande passante du PCI-Express l’impact sera minime.

On sait que nVidia fait confiance à Havok (dont nous verront l’avis plus loin) pour ce qui est du moteur à exploiter. De ce point de vue là il semble que Havok ai d’abord pris l’option de mettre en avant la physique des Effets plutot que pour le Gameplay.
Voyons là les avantages à mettre l’accent sur les effets (dans un premier temps) plutot que sur le Gameplay.

1. Performances: Possibilité d’ajouter des effets avec des dixaines de milliers d’objets, afin d’offrir de nouveaux effets aux développeurs.
2. Modulable: En fonction du matériel en présence on module l’usage des effets, plus le GPU est puissant plus on peut ajouter d’effets.
3. Flexible: Pour les développeurs ça permet de tenir compte du fait que les configurations PC ne sont pas toutes les mêmes. Les effets sont activés ou non en fonction de la présence du matériel adéquat sur la machine
4. « Fallbacks »: Le Moteur Havok FX peut être gérer par le CPU specialement si ce dernier est capable d’effectuer des traitement multithread (CPU bicore etc)
5. Usage évolutif et non révolutionnaire: L’implémentation du code nécessaire à l’élaboration d’effets peut se faire par ajout sur du code existant, il n’est pas nécessaire de retranscrire tout le code

Impact sur les performances

Dans le cas d’une prise en charge sur un système disposant d’un unique GPU (cas le plus courant actuellement avouons-le), le traitement de la physique se fait comme un traitement multipass normal.
En fait, en premier lieu le GPU va calculer les positions/orientations et autres paramètres des objets, pour ensuite commencer le traitement de rendu graphique, sans attente ni synchronisation. Les données sont donc ainsi directement optimisée pour le traitement graphique. Bien plus que le nombre d’objets à traiter c’est le nombre de collisions et la complexité des shaders qui va limiter les performances au final.
Bien sûr le GPU ne fait pas de rendu 3D pendant qu’il effectue le traitement de la physique mais pour exemple on apprend que le traitement d’environ 2000 objets nécessite moins de 3ms (soit l’equivalent de 300FPS), donc l’impact est relativement acceptable.

Plus intéressant du point de vue des performances: l’usage de configuration à plusieurs GPU.
Déjà on découvre qu’il n’est point besoin de SLI là. En fait depuis le début cela a été pensé comme un systeme modulable pouvant fonctionner avec toutes ces configurations:

• Simple GPU.
• Système SLI.
• Systeme Mixte, donc non-SLI et à-priori pouvant être composé de cartes différentes.
• Carte Multi-GPU.
• Carte multi-GPU associée à une carte différente simple-GPU.

Comme on peut le voir la solution nVidia est vraiment très souple et permet des combinaisons de tous types.

Pour en revenir aux performances, Si on a vu que avec un seul GPU, les données sont traitées en passes multiples sans retourner dans la RAM ou vers le CPU, dans le cas des solutions à GPU multiples c’est légèrement différent. Mais toujours dans le but de minimiser l’impact sur les performances là non plus les données ne transiteront pas par la RAM ou le CPU. En utilisant un lien peer-to-peer via le PCI-Express les données passeront directement du GPU utilisé pour la physique à celui (ou ceux) utilisé(s) pour le rendu final.

Comme on peut le constater, nVidia propose non seulement une solution plutôt souple quant à son application en matière de matériel requis, mais en plus leur approche a été faite dans le but de minimiser l’impact d’éléments « extérieurs ». Ainsi que ce soit avec un simple GPU ou avec une solution à GPU multiples, les données calculées sont directement traitées sans avoir à transiter par le systeme (RAM, CPU) et à être synchonisées.
Petit détail: rien n’indique qu’il soit possible d’utiliser plusieurs GPU pour la physique. Par exemple avec un système type Quad-SLI (2 cartes Bi-GPU). Cette possibilitées a-t-elle été envisagée par nVidia?

Havok

Gameplay Vs Effects

Havok nous donne là une explication on ne peut plus complète quant à la différence entre ces 2 choses.

« Gameplay Physics » consiste dans la simulation des objets critiques et des personnages qui peuvent avoir un impact sur les décisions du joueur lors de son avancé dans le jeu.
Il y a 2 scénarii distinct pour arriver à une « bonne » simulation de la physique dans le gameplay: La qualité et le contrôle.

• Qualité: Etre capable de traiter des collisions sur de petits objets se déplaçant à grande vitesse. Pour cela il faut pouvoir détecter les collisions avant qu’elles ne se produisent. Cela peut être considéré comme un traitement en continu de la Physique et non plus un traitement ponctuel, afin d’accèder au volume balayé par un objet lors d’un mouvement et non pas juste la localisation des objets à un moment donné.
• Contrôle: Besoin de recourir à des composants de jeu communicant entre eux pour obtenir des informations et modifier le résultat de la simulation physique à tout moment, plutôt que lors d’étapes précises du traitement. La capacité à modifier la physique à chaque instant à la volée permet un large panel de scénarii qui ne seraient pas vraiment « fun » si c’etait juste physiquement correct.

Aujourd’hui une machine de haut niveau peut traiter un petit millier d’objets critiques pour le gameplay avant de voir ses performances baisser drastiquement.

« Effects Physics » consiste en l’usage de la simulation physique pour ajouter des phénomènes physiques qui vont accroitre la complexité visuelle et la « crédibilité » du jeu.
Les effets sont affectés par les objets critiques ou les personnages mais ils ne leur sont pas nécessaire.
Ce traitement peut être effectué après la simulation principale mais surtout il peut être modulé, ce que la simulation en vue du gameplay ne permet pas.
Là ce sont des dixaines de milliers d’objets qui peuvent être traités. Dans le cas d’un traitement de particules on peut aussi se passer de calculer les données de chaques particules, la représentation visuelle sera en fait basée sur une moyenne de positions de quelques particules. De même il n’est pas nécessaire de faire interagir l’ensemble des particules avec les objets critiques utilisés pour le gameplay. Ainsi on sauvegarde une partie des capacités de traitement qu’il aurait fallu mobiliser pour cela. On arrive donc à un facteur 10 entre le nombre d’objets destinés aux effets et ceux destinés au gameplay.

Quid de l’accélération matérielle de la physique pour le Gameplay

Il y a de réelles possibilités dans ce domaine. Mais à l’heure actuelle cela se heurte à un obstacle de taille. En effet pour que les développeurs aillent dans cette voie il faudrait qu’ils puissent être certains de pouvoir répartir les charges de calcul de la simulation si un élément matériel n’etait pas présent sur telle ou telle configuration matérielle (transfert du traitement vers le CPU etc).
Il est difficile d’imaginer des développeurs mettre sur la marché un jeu qui ne serait accessible qu’à une part restreinte de joueurs en possession de tel ou tel matériel prenant en charge la simulation physique.
Ainsi chez Havok on estime (et ça semble plutôt logique) que l’on ne verra réellement apparaitre des jeux exploitant des solutions d’accélération matérielle pour le gameplay que lorsque le problème de répartition des calculs sera résolu ou quand le marché du matériel prenant en charge la physique aura atteind une masse critique.

Le moteur Havok FX est capable de fournir tous les éléments de positions, vitesse, etc. des objets ou particules simulés, ces données sont disponibles pour le processus de rendu au niveau du GPU mais aussi pour le moteur du jeu. Le fait que Havok FX tourne sur un GPU donne un certain avantage quand il s’agit du rendu, mais cela peut techniquement affecter le traitement du gameplay par une communication avec le moteur du jeu (via le CPU).
De part le format PCI-Express des cartes cela apporte un grand potentiel en terme de vitesse de transfert, contrairement à une solution basée sur le vieillisant bus PCI (qui a dit AGEAI?).

A l’heure actuelle Havok ne met pas en avant leur moteur (auprès des développeurs) pour un usage en matière de gameplay, ce pour les raisons évoquées au-dessus. Ils estiment qu’il y a encore beaucoup à découvrir dans cette voie. Et préfèrant réduire les risques pour les développeurs, c’est un éléments pour lequel ils ne vont pas, à court terme, communiquer.
Cependant ils n’ont aucun doute quant au fait que certains développeurs vont surement essayer un certain nombre d’applications, et que ceux qui adopteront Havok FX trouveront de nouveaux moyens d’incorporer les informations issues du moteur dans les aspects de gameplay.
Et bien sûr ils gardent un oeil sur ce qui se prépare à arriver dans un futur proche à savoir l’arrivée de Direct3D 10 et des Shaders Model 4 (qui offrent une plus haute programmabilité et un usage encore plus diversifé des GPU)

AGEAI

Petit rappel des faits: AGEAI est une sorte de start-Up qui s’est, semble-t-il, spécialisée dans la conception de matériel spécifique à l’accélération matérielle des simulations physiques.
Ils sont un peu les initiateurs du mouvement dont on parle dans ces lignes, en présentant il y a quelques mois leur chip dédié (le PPU PhysX) monté sur des cartes PCI, le tout accompagné des kits de développement adéquats visant à faciliter l’usage de leur PPU.

Gameplay Vs Effects

La différence entre des éléments de Gameplay et ou des Effets tient dans la capacité à deternminer si cet élément peut vous faire perdre ou gagner dans le jeu.
Cette distinction n’est pas propre à la physique, et on nous fait remarquer que certains élements visuels tels que les ombres et lumieres sont (sauf exceptions) des élements ne participant pas au fait de pouvoir perdre/gagner le jeu. Tout comme l’environnement sonore qui peut s’avèrer capital dans un jeu, alors que dans un autre on peut parfaitement s’en passer.
Pour la physique c’est pareil: les débris d’une explosion (le cas typique d’effets ajoutés par les démos de prises en charge de physique) ne participeront pas à déterminer si vous aller gagner ou perdre. A contrario, la hauteur d’une chute pour le personnage, des objets envoyés en votre direction par vos adversaires pour vous arrêter sont autant de situation qui s’intègrent dans ce qu’on appel le « Gameplay Physics ».

PPU Vs Reste du monde

La physique dépend d’algorithmes qui peuvent à différents degrés être traités par le CPU ou le PPU. Mais si l’on considère différents niveaux d’intégration des effets et d’éléments de gameplay, il arrivera un moment où le PPU permettra d’obtenir un meilleur résultat que si l’on utilise uniquement le CPU. De même l’usage des solutions à base de GPU devrait se faire forcément à un moment ou un autre au détriment d’autres éléments du jeu.

L’usage des CPU Bicore, qui tendent à se généraliser, fait aussi parti des concurrents sérieux à l’avénement du PPU dans nos machines. A cela AGEAI donne son point de vue:
Ces CPU sont capables de vrais traitements multiprocess généralisés et peuvent satisfaire aux besoins des tâches parallèles irrégulières que réclament les simulations physiques. Cependant les roadmaps (prévisions) visibles ne semblent pas apporter les capacités de traitement au niveau d’un matériel dédié comme le PPU PhysX, et ce malgré l’augmentation du nombre de cycles de traitement et la multiplications des cores. La puissance d’un CPU s’exprime dans des tâches généralistes, mais cela tourne au désavantage quand il s’agit de s’occuper d’une fonction spécialisée, comme le rendu graphique ou la simulation physique.
Pour ces Raisons AGEAI ne considère pas les CPU multicore comme la meilleur solution pour la (r)évolution du traitement de la physique dans les jeux vidéos, et il serait plus à même de s’exprimer pleinement dans des tâches tels que l’IA, la jouabilité etc alors même qu’il sera déchargé de la simulation physique par un PPU.

L’intéret d’utiliser un matériel dédié

Les besoins entre terme de traitement temps-réels de la physique sont complexes et ont tendance à s’étendre. Le matériel d’accélération devrait être capable d’offrir simultanement les quatre « dimensions » que voici: Fidélité, Modulabilité, Interaction, Sophistication.

1. Fidélité: Précision et représentation réaliste du monde
2. Modulabilité: Le nombre d’objet physique qui peuvent être simulés, ou le niveau des effets possible.
3. Interaction: Chaque objet doit pouvoir interagir avec tous les autres de la scène
4. Sophistication: Type d’effets physiques et d’objets qui peuvent être simulés

Le mot clé de tout ça étant: Simultanément. N’importe quelle solution dispose d’assez de capacité de traitement pour prendre en charge un de ces élément à un moment donné, mais cela se fera au détriment d’une ou plusieures (voir de toutes) autres clés mentionnées ci-dessus. Quand bien même il serait possible de s’occuper des quatre éléments simultanément il faut s’assurer que cela puisse se faire avec un degré suffisant pour être convaincant (réaliste) dans chaque domaine.

On remarque que AGEAI ne dit pas clairement où se situe son PPU à ce sujet: Offre-t-il déjà une capacité suffisante pour prendre cela en charge dans les meilleurs conditions? Ou bien est-ce un objectif à atteindre pour le développement des évolutions du PhysX ?

Impact sur les performances

En ce qui me concerne les propos tenus à ce sujet par AGEAI me semblent on ne peut plus logiques, mais peut-être est-il bon de le rappeler.

• Si le jeu n’apporte AUCUN élément en plus (concernant la physique ou non) quand le PPU est présent, alors il n’y aura soit aucune différence de framerate du fait du caractère trivial du traitement à effectuer, soit le framerate sera amélioré par la présence du PPU.
• Autrement si la présence du PPU induit l’ajouts d’élements physiques et Graphiques à traiter en plus (comparé à une situation sans PPU), il est fort probable que le rendu 3D s’alourdisse et donc cela se fera au détriments des performances d’affichage.

Conclusion

Pour commencer cette fin d’article je dirais que concernant la différence entre « Gameplay physics » et « Effects physics » ces personnes là semblent plutot s’accorder sur le sujet.
nVidia et Havok qui travaillent conjointement (le premier exploitant le moteur du second dans sa solution) tiennent un discours cohérant, ATI semble être un peu moins abouti dans ce domaine, tandis que AGEAI continu d’essayer de vendre son beurre face aux solutions concurrentes.
On retiendra cependant quelques points interessants de tout cela:

• Les solutions à base de GPU sont parfaitement capablent d’effectuer les simulations physiques propre au gameplay, contrairement à ce qui a pu être pensé ou dit jusqu’à présent (j’avoue pour ma part avoir été de ceux-là)
• Le travail de nVidia et Havok a permis d’offrir un moteur limitant les échanges entre le GPU et le systeme afin d’améliorer les performances
• L’impact sur les performances est extrement variable suivant les situations et matériels en présence. Et tout cela est bien théorique pour l’instant compte tenu de la maigreur de ce qui est proposé sur le marché
• Dans un avenir proche il est clair que la simulation physique contribuera essentiellement à l’ajout d’effets visuels dans les jeux, l’intégration de la physique dans le gameplay ce n’est pas pour demain car il reste des barrières techniques (répartition des charges en cas de matériel de prise en charge absent), mais surtout le nombre de machines equipés sur le marché est loin de satisfaire aux contraintes économiques qui se posent lors de la décision de mise en vente d’un jeu (et de sa conception).
• Les CPU multicore sont techniquement à même de traiter tout cela, mais comparé à un matériel dédié à une tache ils ne peuvent rivaliser. Ce qui est vrai pour le rendu 3D s’applique à la simulation physique
• Le potentiel qui s’offre aux développeurs est tout simplement énorme. L’introduction de gameplay basés sur une simulation physique evoluée apportera une nouvelle dimension dans les jeux.
• …. euh non.. rien

Donc comme nous avons vu, c’est là une petite révolution qui s’annonce (le « Gameplay Physics »), mais cela commencera par une légèrement évolution (« Effects Physics »). Quant à savoir quelle solution prendra le pas sur une autre: bien malin celui qui pariera sur le bon cheval, les arguments des uns et des autres tiennent tous plus ou moins la route et il est clairement trop tôt pour pouvoir se prononcer. Nous sommes bel et bien à l’aube de nouvelles sensations dans les jeux, reste à savoir quand est-ce que l’aube laissera la place à une belle matinée ensoleillée (oui je sais être poête des fois)…

En attendant il faudra garder un oeil sur les évolutions des solutions présentées ici, chacune étant toute jeune (seule la solution AGEAI étant plus ou moins disponible sur le marché) pour savoir ce que l’avenir nous reservera dans ce domaine.