AMD新一代图形API Mantle浅析

别意外，AMD目前当然不会改行从事食品行业，这个所谓的“馒头”不过是A饭们为AMD新技术Mantle取的爱称(Mantle在英文原意为地幔之意，其发音同中文馒头读音较为接近，因此被A饭们叫做馒头)。与AMD针对显卡本身设计的CrossFireX、VLIW4技术不同，Mantle更类似于TressFX头发渲染、曲面细分技术——通过软件技术来发挥硬
件的性能，带给玩家更好的游戏体验，不过其作用、功能要强大很多，因为它不再是表现硬件技术特性的某段代码，而是可以通过它完成整个游戏设计的图形API。

提升效率 去除封装的底层API

我们知道，自DirectX9发布以后，微软的DirectX已基本取代OpenGL成为众多游戏主要使用的API。而随着技术的发展，在进入DirectX 10、DirectX 11时代以后，DirectX API也表现出了很高的品质，通过DirectX API设计的《孤岛危机3》、《战地3》等游戏均表现出了接近电影级别的画面，那么AMD为什么要另辟蹊径去开发一种新的图形API呢？

原因并不复杂——为了提升效率。传统的高层图形API为了方便开发人员编程，将底层硬件的细节进行了层层封装，使得开发人员能够摆脱底层硬件细节的困扰，降低了开发难度与学习成本，同时也使得开发者们所编写的代码能够跨平台、跨设备地运行，Direct X便是这种设计哲学的代表者。这种高层图形API在便利了编程的同时，也付出了性能上的代价，高层图形API所经历的层层封装，每一层都代表着一次额外性能开销。让我们举一个简单的例子：每次访问缓冲区，高层API都会做一些额外工作，比如检查一次参数是否越界，访问类型是否正确等等，而底层的API则会把这些工作都交给程序员自行完成，自然加快了自己的调用速度。当然，实际的API封装远远不止参数检查这么简单，但是这个例子能够为我们呈现Mantle的基本设计理念——去除封装，暴露底层。

提升绘制调用次数 解决大性能瓶颈

去除封装，暴露底层的设计理念并非灵光一闪的做法，它的提出由来已久。高层图形API带来的额外开销在实时渲染领域的评价用“又爱又恨”来形容是很贴切的，一方面它方便了开发人员编写代码，另一方面却又限制了电脑性能发挥，阻碍性能提高的大瓶颈就是绘制调用（draw call）次数的限制。一次绘制调用相当于在屏幕上一次性绘制一批渲染条件相同的物体，每进行一次绘制调用，CPU都要花费一定时间准备数据并呈递给GPU。一个漂亮华丽的复杂场景需要绘制许多渲染条件不同的物体，这就要求进行许多次状态不同的绘制调用，使得CPU为了准备渲染数据而不堪重负，而GPU则持续空闲。在Direct X上，如果渲染一帧像素数目很多但是着色并不复杂的图像，额外开销近乎于0，但是到了三角形密集的场景，且绘制调用无法组合打包的情况下，性能就会大大衰退。NVIDIA的评估表明，在每次绘制调用规模不大但次数频繁的情况下，吞吐量的大小并非取决于GPU的强大并行能力，而是取决于CPU向GPU提供待处理数据的速度。这一问题在开发人员当中已是怨声载道，当下的开发者们被迫限制了自己进行绘制调用的次数，而游戏引擎也需要对绘制调用打包合并，进行优化。这一问题也对DirectX的缔造者微软公司施加了巨大压力，DirectX 10的开发组也在这个问题上下了功夫。相对于DirectX 9，DirectX 10与DirectX 11两次大的版本更新都加入了针对性的改进，但是问题仍未得到根本解决。

Mantle直接挂接底层硬件，在底层的GCN硬件及顶层的图形应用之间有Mantle驱动层和API层。应用层可以通过Mantle API直达GPU功能，提高了图形性能。

相对于庞大复杂的Direct X来说，Mantle仅由轻量级的API与驱动程序组成，并且与逐层封装，远离硬件的做法不同，Mantle反其道而行之，极力贴近硬件底层，将硬件底层特性暴露给上层的程序员，令开发者能够对渲染过程有大的控制权。通过减少高层API在CPU上带来的负担，AMD宣称Mantle能够让每帧图像所允许的绘制调用次数猛翻九倍，大大减轻了绘制调用瓶颈带来的影响，这是一项具备相当诱惑力的优势。

虽然现在我们暂时还无法得知使用Ma n t l e后到底会带来怎样的优势，但从另一个平台的表现上，我们可以初见端倪，那就是游戏主机。我们知道，游戏主机中配备的G PU，其绝对性能比PC平台的旗舰级GPU有着档次上的差距，X b ox 360的GPU尚不及PC平台旗舰级GPU性能的十分之一，但为什么游戏主机在保证游戏流畅运行的同时，仍能呈现较好的画质呢？

这是由于游戏主机的程序代码与专注于高层API的PC游戏代码不同，游戏主机的硬件固定，高层API所提供的跨设备优势不再具有意义。因此为了从有限的硬件资源中榨取大性能，在游戏主机上往往共同使用高层与底层API，而这大大提升了游戏机的运行效率。举例来说，在使用相同硬件的环境下，在游戏机上进行10000～20000次绘制调用时，游戏帧速仍能保持30～60fps，而在PC的DirectX环境里，则只能使用2000～3000次绘制调用才能保证游戏的运行帧速达到30fps左右。

仅为GCN而生的“馒头”

性能上的提高固然诱人，但需要注意的是，去除封装的招数犹如杀敌一千、自损八百的七伤拳。底层硬件直接呈现意味着代码通用性的丧失，过分靠近硬件底层的Mantle仅为AMD GCN架构的显卡优化，仅有在GCN架构的显卡上才能够享受Mantle带来的好处！这意味着只有Radeon 7000系列以及新近的Radeon R7与R9系列能够打上Mantle标志，而AMD那些并未采用GCN架构的前代产品，以及竞争对手NVIDIA和Intel的产品，都被排除在Mantle的优化范围之外。Mantle所带来的优势仅能够在GCN上化为现实。这意味着游戏开发者们面临着艰难的抉择：若是选择纯Mantle进行开发，自己的游戏就等同于与AMD捆绑在一起，成为一条绳上的蚂蚱，使用NVIDIA显卡和Intel集成显卡的玩家将与自己的游戏无缘。若想顾及GCN显卡用户以外的市场，就必须花费额外精力，将程序转移到DirectX基础上，实现通用，或是先开发基于DirectX的通用版本，再开发基于Mantle的AMD GCN显卡特别优化版。而说服这些开发人员付出额外精力学习Mantle，并使用Mantle进行开发的诱惑力，便在于性能上的提高。这时候再回头看Mantle的优点，就显得不那么超凡脱俗了，是否要选择Mantle，还真得斤斤计较一番。AMD若是足够明智，那Mantle的设计就不能为DirectX的迁移带来重大障碍，以方便开发人员选择第二条路线——在DirectX与Mantle之间进行代码迁移。可能有读者会问，Mantle能不能干脆取代Direct X，游戏统一使用MantleAPI来开发呢？

取代DirectX ? Mantle的未来

能够吸引开发者的支持吗？

对于游戏玩家来说，显卡的性能和价格是重要的两个因素，甚至可以说这两个因素就是玩家关注的全部，但从程序开发员的角度上看，性能的地位便有所衰落，从“重要的因素”变成了“重要因素”之一。举例来说，当我们需要在屏幕上实时绘制一个以Sin函数轨迹持续运动的发光小球时，那么程序开发人员可能面临多种选择：其一，使用Java/C++等语言配合图形库来开发，这样的话程序员能够控制一些底层硬件的细节，例如使用分块访问来提升访存局部性，消除数据相关性，帮助编译器和处理器进行单指令多数据流加速等，性能有所保障，但是编程难度较大，所需时间相对较长，完成这项工作可能需要个把小时的编程与调试；其二，使用专用的数学绘图工具，例如Matlab，Mathematica等进行绘制。这些专用数学绘图工具通常使用C/C++再搭配更高抽象层次的语言编写，底层硬件的细节被完全遮盖，程序员已经无法感知硬件特性，这类软件的运行性能相比单纯的语言开发会有数倍的衰退。但程序员的选择却令人意外，性能上的大幅落后换来了另一方面无可比拟的巨大优势——完成这个编程任务将只需要一行指令，编程仅需区区一分钟，因此这些专业绘图软件受到许多程序员的青睐，成为绘图任务的首选。

只有在AMD GCN架构即基于SIMD阵列的MIMD架构，如AMD Radeon 7000系列以及新近的RadeonR7与R9系列显卡上，Mantle才能为玩家带来更好的体验。

曾经的著名显卡厂商3dfx也曾推出其专用Glide API，这套API令3dfx显卡表现更佳，同时，游戏厂商也推出了大量基于该A PI的游戏(如上图所示)，但由于设计过于封闭一在Glide游戏上，非3dfx显卡无法使用3D加速，后被DirectX挤出市场。

从这个例子中我们可以看到，性能方面具备数量级的领先优势未必能够吸引开发者，开发所需的时间和精力成本，以及开发者们学习这套额外API所需的学习成本也是不可忽视的重要因素。能够提供大幅性能优势，但同时又以较高的开发成本而“臭名昭著”的莫过于手工汇编。如果实时渲染领域只凭性能优势说话，那么所有的开发者早就一拥而上使用汇编程序开发游戏了。因此光凭性能优势，Mantle API还不足以吸引程序员们去付出额外精力。Mantle还必须拥有优良的设计，对开发者友好，学习和迁移成本越低越有利，这样才能获得程序员们的支持，它的成功=性能显著优势+较低的学习成本+较低的开发成本，三者缺一都会为Mantle的未来添加不确定性因素。

好消息是，寒霜3引擎技术总监Johan Andersson已经率先表示，至少有《战地4》、《镜之边缘2》、《星球大战：前线》。《极品飞车18：宿敌》、《质量效应》等15部采用寒霜3引擎的游戏大作将会采用AMD Mantle API设计。初步看来，Mantle的入门成本似乎不高，已经吸引了主要游戏大厂的注意。

好消息是《镜之边缘2》、《极品飞车18：宿敌》等热门游戏均将采用Mantle API开发，GCN显卡在这些游戏中可能将获得较大的性能提升。

当然，推论Mantle取代DirectX的设想还是太过大胆了，从现实情况来看AMD也没这样的考虑。不论是主导一种标准还是推翻微软的领导地位都是非常艰难的，同时新一代Radeon R9/R7显卡也是明确支持DirectX 11.2标准的，AMD肯定离不开通用的标准。我们认为开发Mantle API更多地还是为了促进AMD与游戏开发商间的合作，更好地对游戏进行优化。

它的性能优势足够吗？

后，还有一个大家关心的问题，在PC游戏中，Mantle API到底能带来多大的提升呢？将绘制调用的允许数目提高了九倍，那么实际性能就会提高九倍吗？显然不是，绘制调用的上限大幅度提高之后，性能瓶颈显然就已经不在绘制调用的部分，而是转向了“砌墙工人”即GPU。我们知道，高端GPU与入门级GPU之间在技术规格上存在巨大的差距，因此使用Mantle并不会让一块五百元的低端显卡瞬间碾压数千元的旗舰显卡。Mantle只是在理论上，在几何负载密集、多个着色处理的场景下可以带来一定幅度的性能提升，不要对Mantle抱有不切实际的过高期望，单纯使用Mantle并不会带来性能上奇迹般的突破。根据新消息，AMD将在本月召开的开发者大会上公布关于Mantle的更多资料，届时可能将有测试数据放出。本刊也将对其持续进行关注，在后续为大家带来有关Mantle的深度报道。

Tips：什么是绘制调用？

在游戏中生成一帧画面的处理过程大致可以这样简化描述：引擎首先经过简单的可见性测试，确定摄像机可以看到的物体，然后把这些物体的顶点（包括本地位置、法线、UV等）、索引（顶点如何组成三角形）、变换（就是物体的位置、旋转、缩放、以及摄像机位置等）、相关光源、纹理、渲染方式（由材质/Shader决定）等数据准备好，然后通知图形API—或者就简单地看作是通知GPU开始绘制。GPU基于这些数据，经过一系列运算，在屏幕上画出成千上万的三角形，终构成一幅图像。其中的数据准备并通知GPU的过程就被称为绘制调用。简单地说就像一个工人递砖头，另一个工人接过砖头砌墙。如果递砖头（绘制调用）的速度很慢而砌墙的速度很快，那么砌墙工人即使有再出色的能力也无济于事。