DirectX?OpenGL?CUDA?Stream?OpenCL?
如题，这些名词是时下最时髦的东东，特别最后三个，与“大规模并行计算”“GPGPU”联系十分紧密，但是这些IT大佬们随着自己高兴就随便弄一个标准或者SDK，完全不管我们这些码工的死活。弄得我们要天天赶时髦学习这些不知道明天会不会过时的东西，真是“白发三千丈，缘愁似个长”。最近ATi的DX11和Windows7同步上市，声势不可谓不强，各大媒体网站的评测也铺天盖地。在“泡泡网”上看到一篇文章，写的非常好，不敢独享，将其精华摘取留念～
原文地址：http://www.pcpop.com/doc/0/442/442339.shtml
第一章 让游戏运行效率更高！DirectX 11全面解析
HD5800最大的特性就是首次对DirectX 11 API提供完美支持，这套新一代图形引擎将在2009年10月份与Windows 7同时发布，届时也会提供单独的DirectX升级包供Vista安装。因此本文很有必要对DX11的新特性进行全面分析，并与上一代的 DX10/10.1做一些对比。
第一章/第一节 革命性的DirectX 10回顾在过去的十几年时间里，DirectX已经稳步成为微软Windows平台上进行游戏开发首选API。每一代DirectX都带来对新的图形硬件特性的支持，每次版本变更都能帮助游戏开发者们迈出惊人的一步。就拿近几年来说，DX9、DX9C、DX10及相关显卡的发布都带来了令人惊讶的游戏画面，给与玩家无与伦比的游戏体验。尤其是DX10发布后，以Crysis为代表的FPS游戏画面达到了巅峰，显卡实时渲染出来的人物及风景效果足以媲美照片、CG动画甚至是电影，让人叹为观止！
但DX10也不是完美无暇的，其缺陷也很明显，那就是运行效率比较低。当游戏开启DX10模式后，性能下降幅度非常夸张，以至于第一代DX10显卡GeForce 8800和Radeon HD2900都无法在特效全开的情况下流畅运行当时的任何一款DX10游戏！
以两年前发布的DX10代表作Crysis来说，其画面堪称完美，但时至今日依然没有任何一款单核心显卡能在VeryHigh模式下流畅它！即便是顶级的双核心显卡运行起来也很吃力，是因为GPU的发展速度太慢吗？不是的，两年时间显卡的性能已经提高了3-4倍，GPU的发展脚步并没有放缓，问题归根到底还是DX10运行效率较差所致。
下面就先来回顾一下DX10的主要特性：
统一渲染架构让GPU运算单元的利用率更高，但新加入的几何着色器却加重了流处理器的负担，超级复杂的画面场景也给流处理器造成了更大的压力。因此在这几年内，纵使GPU的流处理器数量大增2-3倍、频率也稳步提升，但依然不够用。
第一章/第二节 过渡性的DirectX 10.1回顾
DX10带来了众多绚丽无比的新特效，“滥用”各种特效导致GPU不堪重负。而GPU自身的发展受到诸多因素的制约，如果制造工艺跟不上的话运算能力很难取得突破。因此，必须通过不断改进架构运算效率来进一步提升3D图形性能。在DX10之后，微软也开始将重心集中在如何提升算法和效率上面，而不是一味的加入新特效或提高模型复杂度。
此后微软发布了DX10.1 API，对DX10进行了小修小补，DX10.1主要更新内容有：
DX10.1的更新内容虽然不少，但相比DX10没有什么革命性的改进，大部分内容都是提高GPU的资源利用率、将一些可选标准列为必须，其实不少项目DX10显卡通过修改驱动就能实现。因此DX10.1没能得到游戏开发商足够多的重视，并没有像当年的DX9C那样迅速成为主流。
ATi从HD3000系列开始，也就是第二代DX10显卡中，就全面提供了对DX10.1 API的支持。而对手nVidia则对于DX10.1比较抵触，第二代GF9系列和第三代GTX200系列都不支持DX10.1，并且宣称“DX10.1并非必须，DX10也能部分实现”之类的言论。《刺客信条》这款原本支持DX10.1的游戏也迫于压力在新版本中取消了支持。但是，nVidia前几天刚刚发布的GT220显卡却非常低调的对DX10.1提供了支持。在DX11时代即将来临之际，nVidia没有将抵制DX10.1的策略进行到底，而选择了妥协，真是令人费解。
至少，nVidia用实际行动证明了，DX10.1虽然改进有限，但也并不是没用。实际上，DX10.1只不过是微软的一个试水石，其目的非常明确，那就是尽可能的提高DX10的渲染效能，达到节约GPU资源的目的，而DX11正是基于这种设计理念而来的。
第一章/第三节 全新的DirectX 11诞生，为高效率游戏而生
从游戏画面逼真度来看，短期内恐怕没有哪款游戏能够达到Crysis的高度，但是这款依靠暴力模型、着色技术和诸多特效堆积而成的游戏，对显卡的要求之高令人叹为观止，至今都没有哪颗GPU敢打包票说能在最高特效下面流畅运行。也就是说Cryengine 3是丝毫没有考虑现有GPU的性能而开发的一款超级引擎。
以高效率著称的虚幻引擎缔造者Tim Sweeney称，想要把现有游戏模型复杂度提高数十倍是很容易的事情（比如CG模型和影视渲染），但同样的你也需要数十倍与现有主机机能的显卡才能流畅运行，比如三路甚至四路顶级系统，而这种系统的市场占有率连1%都不到，独孤求败的Crysis还卖不过快餐式的使命召唤系列、Cryengine至今无法染指游戏机领域就是这个道理。
所以，架空硬件的引擎是不可取的，唯有充分利用有限的GPU资源，通过各种辅助技术最大化画面表现力，才是图形技术公司和游戏开发商首当其冲要解决的内容。
因此，在DX10发布四年、成为主流之后，业界将期望都寄托在了DX11身上，虽然DX11并没有带来全新的特效，但却通过各种手段提升了GPU的渲染效率，当GPU有了富裕的运算资源之后，游戏开发商就可以大胆的去使用更多的特效和技术，如此一来DX11游戏很容易就能从画面到速度全面超越DX10游戏！
DX11最关键的特性有以下五点：
1. Tessellation：镶嵌式细分曲面技术（第三章做专门解析）
2. Multi-Threading：多线程处理
3. DirectCompute 11：计算着色器（第二章做专门解析）
4. ShaderModel 5.0：着色器模型5.0版
5. Texture Compression：纹理压缩
下面笔者就对这些特性进行详细分析，来看看DX11是通过什么手段来提升渲染效率的。
第一章/第四节 Shader Model 5.0
Shader（译为渲染或着色）是一段能够针对3D对象进行操作、并被GPU所执行的程序，ShaderModel的含义就是“优化渲染引擎模式”，我们可以把它理解成是GPU的渲染指令集。历代DirectX每逢重大版本升级时最主要的更新内容就包括在了ShaderModel之中：
ShaderModel 1.0 → DirectX 8.0
ShaderModel 2.0 → DirectX 9.0b
ShaderModel 3.0 → DirectX 9.0c
ShaderModel 4.0 → DirectX 10
ShaderModel 5.0 → DirectX 11
高版本的ShaderModel是一个包括了所有低版本特性的超集，对一些指令集加以扩充改进的同时，还加入了一些新的技术，现在我们就来看看DX11 SM5.0都有哪些新特性：
由于统一渲染架构的特性，Shader Moder 5.0是完全针对流处理器而设定的，所有类型的着色器，如：像素、顶点、几何、计算、Hull和Domaim（位于Tessellator前后）都将从新指令集中获益。
其中，覆盖采样及Gather4纹理拾取两项指令是从在DX10.1基础上发展而来的，SM5.0要比SM4.1更加智能和灵活，它可以针对特定颜色分别采样、还能自动识别可做阴影映射的值，精度和效率都进一步提高。
由于DX10.1与DX10在指令方面的相似性，现有的DX10.1游戏可以很容易的通过更新程序代码升级支持DX11，从而获得更好的运行效率，比如《风起云涌》、《潜行者》、《科林麦克雷》将会率先引入DX11。
第一章/第五节 Multi-threading多线程处理
如果一个软件能够对多核心多线程处理器进行优化的话，那么在使用双核或四核处理器时，其运行效率将会提升2-4倍，遗憾的是如今的游戏都无法支持多核处理。
通过大量的游戏性能测试来看，GPU占绝对主导，而CPU只是考验单核效能，通过对CPU极限超频可以让游戏性能提高不少，但使用四核或者带HT技术的“八核”处理器几乎不会有任何性能提升。在多核成为大势所趋的情况下大量CPU资源被白白浪费，瓶颈可能依然卡在CPU上面。
多线程技术的引入对于双卡甚至多卡互联系统更为重要，以往多颗GPU在DirectX中只能模拟成一个虚拟GPU，所有的GPU必须共享指令缓冲区并接受CPU调度，渲染线程的拆分与合并指令延迟都很大，GPU越多则效率越低！而在DX11当中，如果用四核CPU搭配四路交火系统的话，每颗CPU都可以单独控制一颗GPU的渲染线程，在均分CPU负担的同时，提高了GPU资源利用率，从而大幅提升游戏性能。
其实多线程技术也能应用在DX9/DX10甚至是OpenGL上面，但由于API及函数指令的限制，开启多线程会产生很多重复的指令，导致性能提升有限甚至不升反降，因此微软并不建议在旧API模式开启多线程模式，除非程序员做过严格的测试与优化。
第一章/第六节 两种新的纹理压缩格式
丰富的纹理细节对于最终图像的质量尤为重要，目前的游戏也都在朝着超大规模、超精细的纹理细节方向发展。但是，大规模的纹理非常占用显存以及带宽。而纹理 压缩就是为了解决这个问题，将大规模的纹理以一种优化的算法进行压缩。试想，如果图象的纹理都不进行压缩的话，那么2GB的显存容量恐怕都不够用。
但是，目前纹理压缩技术并不支持HDR(高动态范围)图像，这也是开启HDR很占用显存的一个很大的原因。为了解决这个问题，DirectX 11加入了两种新的压缩算法——BC6H和BC7。其中，BC6H是专门针对HDR图像设计的压缩算法，压缩比为6：1；而BC7是专门给高品质 RGB[A]纹理设计的压缩算法，压缩比为3：1。
第二章 DirectCompute：不止是通用计算
此前在测试阶段，微软将DirectX 11中包含的GPU通用计算称为Compute Shader或DirectX Compute，而在近期的正式版本中又改名为Direct Compute，一字(X)之差何必呢？显然，微软为了将GPU通用计算和主要是3D应用的DirectX区别开，进一步凸出Direct Compute的重要性并与OpenCL分庭抗力，由此足以见得微软对GPU通用计算的重视程度。
DirectCompute主要针对GPU计算，但由此可以衍生出一些在图形渲染方面的特殊应用，因此笔者将其单列一章，对一些重要技术进行详细介绍。
第二章/第一节 DirectCompute与Stream/CUDA/OpenCL的关系
提起GPU通用计算，自然会让人想到nVidia的CUDA、ATi的Stream以及开放式的OpenCL标准，再加上微软推出的DirectCompute，四种技术标准令人眼花缭乱，他们之间的竞争与从属关系也比较模糊。
首先我们来明确一下概念：
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OpenCL类似于OpenGL，是由整个业界共同制定的开放式标准，能够对硬件底层直接进行操作，相对来说比较灵活，也很强大，但开发难度较高；
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DirectCompute类似于DirectX，是由微软主导的通用计算API，与Windows集成并偏向于消费领域，在易用性和兼容性方面做得更出色一些；
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CUDA和Stream更像是图形架构或并行计算架构，nVidia和ATi对自己的GPU架构自然最了解，因此会提供相应的驱动、开发包甚至是现成的应用程序，通过半开放的形式授权给程序员使用。
其中ATi最先提出GPGPU的概念，Folding@Home和AVIVO是当年的代表作，但在被AMD收购后GPGPU理念搁浅；此后nVidia后来者居上，首次将CUDA平台推向市场，在这方面投入了很大的精力，四处寻求合作伙伴的支持，并希望CUDA能够成为通用计算的标准开发平台。
nVidia CUDA示意图
在nVidia大力推广CUDA之初，由于OpenCL和DirectCompute标准尚未定型，nVidia不得不自己开发一套SDK来为程序员服务，这套基于C语言的开发平台为半开放式标准，只能用于nVidia自家GPU，因此并未得到业界的认可，AMD认为CUDA是封闭式标准，不会有多少前途，AMD自家的Stream虽然是完全开放的，但由于资源有限，对程序员帮助不大，因此未能得到大量使用。
于是在去年由苹果牵头，以苹果OpenCL草案为基础，联合业界各大企业共同完成了标准制定工作。随后Khronos Group成立相关工作组，工作组的26个成员来自各行各业，且都是各自领域的领导者，具体包括3DLABS、Activision Blizzard、AMD、苹果、ARM、Barco、博通、Codeplay、EA、爱立信、飞思卡尔、HI、IBM、Intel、Imagination、Kestrel Institute、摩托罗拉、Movidia、诺基亚、nVidia、QNX、RapidMind、三星、Seaweed、TAKUMI、德州仪器、瑞典于默奥大学。
OpenCL标准一经成立，IT三巨头Intel、nVidia和AMD都争先恐后的加入支持。AMD由于自家Stream推广不利、支持OpenCL并不意外；Intel即将发布的Larrbee GPU一大卖点就是强大的计算能力，支持OpenCL有百利而无一害；nVidia虽然在大力推广CUDA开发平台，但无奈势单力薄，小有所成但前途未卜，OpenCL虽然与CUDA C语言有交集但并不冲突，是相辅相成的互补关系，nVidia自然也大力支持。
OpenCL组织中唯独微软不在其列，微软有自己的如意算盘。经过多年的发展，DirectX凭借快速更新换代策略、相对轻松的开发与移植方式，在与 OpenGL的交战中已全面占据上风，OpenGL的传统强项——专业绘图领域也在被DirectX不断的蚕食。因此微软打算用相同的策略来对抗尚未站住 根基的OpenCL，于是DirectCompute诞生了。
就如同GPU能同时支持DirectX与OpenGL那样，nVidia和AMD对DirectCompute和OpenCL都提供了无差别支持，真正的GPU通用计算之战，不在CUDA与Stream之间，而是OpenCL与DirectCompute之争，DX11时代才刚刚开始……