騰訊研究院乾貨:最詳細的“雲遊戲”科普
2019年04月22日17:11

  近來,隨著Google在今年遊戲開發者大會(GDC)上發佈雲遊戲平台Stadia以來,雲遊戲受到了前所未有的關注。然而就像2015年突然到來的人工智能浪潮其實已是人工智能的第三次爆發一樣,雲遊戲概念的提出至今已有至少近20年曆史了。

  那麼,雲遊戲是什麼?它經曆了哪些發展過程?存在哪些技術門檻?它對產業有什麼樣的影響?

  且容本文一一道來:

  什麼是雲遊戲?

  對於遊戲行業或遊戲本身不瞭解的人來說,初次面對雲遊戲可能會有一個疑問——除了單機f遊戲,現在所有遊戲不都聯網玩麼?雲遊戲和網絡遊戲有什麼區別?

  實際上,同為“在線遊戲”,雲遊戲與網絡遊戲的運行方式截然不同。

  對於傳統的網絡遊戲而言,玩家需要先將遊戲客戶端事先下載安裝儲存在本地硬盤中,運行過程中的運算也是在本地完成的,其運行速度、畫面效果取決於本地電腦的硬件配置。通過互聯網,本地客戶端接收到的是一同進行遊戲的其他玩家的信息,如位置、狀態以及實時的操作等。在網頁遊戲和小遊戲中,儘管表面看起來沒有“下載”這一過程,但實際上在遊戲打開時也會將遊戲所需的資源和運算邏輯“加載”到本地,然後再開始運行。

  而云遊戲則不同,它不需要下載或加載資源到本地設備。

  雲遊戲從概念上來說其實十分簡單,就是基於雲計算技術,把遊戲放到服務器上運行,而遊戲渲染出來的的視頻畫面,通過網絡傳送到終端(包括PC、機頂盒、移動終端等)。如此一來,終端客戶不需要下載、安裝遊戲,只要連接互聯網,哪怕是硬件配置要求高、運算量大的遊戲也能順利運行。

  用一個通俗的比方,雲遊戲就像是玩家在使用一台顯示器和鍵鼠連接線特別長的電腦,玩家面前的只有顯示器、鼠標和鍵盤,而顯示器、鍵盤鼠標連接了一個遠在千里之外的計算機。

  由於本地設備上不需要安裝遊戲,所以各終端設備都可以運行各類遊戲,不再需要遊戲對軟硬件的適配、終端的性能要求等以往困擾遊戲玩家的問題。因此,雲遊戲最大的優勢在於能夠打破各種終端限製的壁壘,在手機上可以玩到電腦、主機遊戲,在電腦上也可以玩到主機、手機遊戲。

  而云遊戲客戶端的作用僅限於數據的發送、接受以及遊戲畫面的呈現,遊戲的儲存與運行都是在雲端服務器上完成的。在進行遊戲時,玩家操作客戶端向雲端發送數據,雲服務器根據操作運行遊戲,將遊戲畫面編碼壓縮,通過網絡返回客戶端,最後客戶端進行解碼並輸出遊戲畫面。

  雲遊戲的好處也顯而易見:首先,雲遊戲不必再依賴於本地硬件(尤其是CPU和顯卡),只需具備基礎的視頻解壓能力,以及輸入設備(鍵鼠或者手制等)和輸出設備(顯示器)即可;其次,開發平台也不用擔心玩家側硬件性能, 可以開發更高質量的內容;此外,雲遊戲還能節省本地遊戲版本更新時間,長遠來看也能節省硬件迭代升級成本等。

  雲遊戲的發展史

  既然雲遊戲有如此眾多的好處,那麼為什麼我們沒有早早地用上雲遊戲技術呢?

  事實上,不是不想,而是不能。

  雲遊戲從概念提出到此次巨頭搶灘登陸之間差了20年,而這20年雲遊戲的發展幾乎伴隨著計算機、通訊和雲計算三大行業的發展史。

  雲遊戲這一概念,最早來自芬蘭的一家名為G-cluster的公司。

  早在2000年,該公司在美國電子娛樂博覽會(Electronic Entertainment Expo,簡稱E3)展示了雲遊戲的原始雛形——通過Wi-Fi將PC遊戲傳輸到手持設備。為什麼不是手機……因為2000年還沒有大屏幕手機呢。

  根據當時的媒體報導,儘管展示時遊戲PC和客戶端屏幕通過本地無線局域網連接,但這個展示過程仍然有明顯的延遲與卡頓。在當時,這項技術就像是早期的蒸汽機車——跑的比馬車還慢——沒有受到業界的關注。

  2005年,G-cluster通過塞浦路斯電信管理局的IPTV網絡進行了首次試商用,但受限與當時的網絡環境,以及G-cluster所提供的遊戲內容,依然未能引起足夠關注。

  雲遊戲第一次進入大眾視野,是在2009年舊金山遊戲開發者大會(Game Developers Conference,簡稱GDC)上。

  當時,成立 6 年有餘的雲遊戲服務商 OnLive 進行了相當成功的現場展示,成為展會上最大的亮點。2010年6月,OnLive 雲遊戲服務正式上線,與 G-cluster 最大的區別在於 Onive 在上線之初就解決了遊戲內容這個十分重要的問題。平台不僅可以運行Crysis這樣的 3A 級大作,還拉來了EA、育碧、Take-Two、華納兄弟等遊戲廠商為其提供內容支持。

  結果你大概也猜到了,儘管在本地局域網環境下 OnLive 比 G-cluster 有較大的進步,能夠順暢的運行雲遊戲。但在當時的美國全國平均家庭帶寬只有 9.54Mbps 的大環境下,OnLive 服務在正式上線後便收穫一票差評,最終這款產品因付費用戶太少而流產。

  在OnLive開創商用雲遊戲的先河之後,主流遊戲廠商開始進入雲遊戲領域。

  索尼在先後收購了Gaikai和OnLive兩家公司的核心技術之後,於2014年發佈了雲遊戲服務PlayStation Now。但當時的PlayStation Now服務僅供PS4用戶使用,並且平台只提供在該主機上不兼容的PS3遊戲。

  由於即使到了 2014 年,世界各地的互聯網接入速度也不那麼樂觀,因此索尼除了推出可以遠程(玩家本地不需要 PlayStation 遊戲機)的 PlayStation Now 之外,索尼還推出了主打本地進行串流的 Playstation Remote Play 功能——即顯示、控製設備與遠程運算設備在同一局域網內。

  簡單來說,就是以前的 PlayStation 玩家要想玩遊戲,需要把 PlayStation 遊戲機接上電視,然後端坐在電視機前用手制玩遊戲。而PlayStation Now則允許玩家躺在床上,用自己的手機作為現實和控製設備與自己的PlayStation遊戲機連接進行遊戲。這與 PlayStation Now、Google 和騰訊發佈的雲遊戲在技術上有共通點,但應用方式上並不相同,是雲遊戲技術在網絡環境不好時代的一種主要應用模式。

  2015年,NVIDIA推出了基於雲服務器的遊戲流媒體服務GeForce NOW,在發佈之初就支持60餘款遊戲。基於自身強大的技術能力,GeForce NOW的遊戲畫面可以達到1080P的解像度與每秒60幀,相比PlayStation Now的720p和30幀有了巨大的提升,但對網絡條件的要求仍極為苛刻——至少需要50Mbps帶寬。此外,GeForce NOW仍然受到終端的限製,只支持自家的SHIELD系列產品(包括台式、平板手提遊戲機3個型號)。

  在這一時期,遊戲大廠雖然拿出了相較早年更為成熟的雲遊戲服務方案,但尚未打破終端的限製。

  近一兩年來,雲遊戲的發展更進了一步。

  PlayStation Now和GeForece NOW服務先後開始支持PC端,邁出了跨越終端的第一步。

  2018年10月,Google宣佈推出Project Steam(流媒體計劃,今年3月更名為Stadia)。用戶甚至不需要下載雲遊戲的平台,也不受終端限製,只需要通過Chrome瀏覽器就可以暢玩各類3A級遊戲大作。即便更換電腦,遊戲體驗和存檔也可以順暢繼承,宛如將大型主機遊戲“頁遊化”了。

  同年同月,微軟發佈了基於Xbox的雲遊戲服務“Project Cloud”,這項服務將允許Xbox One遊戲在電腦、手機以及平板上遊玩,並將於2019年進行公測。

  2019 年 3月,遊戲開發者大會 GDC 上,在 Google 宣佈其雲遊戲平台 Stadia 的同時。騰訊也開啟了雲遊戲平台 Start 的內測邀請,向上海和廣東的資深玩家開放預約體驗。以“讓好玩觸手可及”為願景,借助騰訊雲的海量基礎資源,目標給龐大的國內玩家群體提供更便捷的遊戲體驗。面向B端用戶,騰訊還推出了CMatrix雲遊戲方案,針對Android雲遊戲提供專業性技術解決方案,為第三方遊戲企業提供雲遊戲平台技術,快速雲遊戲應用場景落地。

  此前,騰訊還聯手英特爾推出了騰訊即玩雲遊戲平台,與外國雲遊戲廠商主攻大型端遊不同,騰訊即玩主打雲手遊,填補了這一領域技術與市場的空白。

  可以說,經過諸多廠商早年不成功的嚐試,隨著玩家進行遊戲的場景逐漸多樣化,加之5G的日益成熟,雲遊戲的發展正步入正軌。

  雲遊戲發展背後的黑科技線索

  看完雲遊戲的曆史,你應該也發現了,雲遊戲領域的早期行業先鋒後來都成為了行業先烈。而且導致他們的業務走向失敗的似乎並不是市場或是自身技術的原因,而與計算機行業、通信行業、雲服務行業三個上位技術領域尚未成熟有著強相關性。

  作為一種依賴於雲計算的遊戲服務,雲遊戲與其他雲服務有類似之處,但也不乏自身特性,其對技術的需求主要分為服務器端和網絡傳輸兩個方面。

  那麼,對於雲遊戲來說究竟哪些技術是重要的呢?

  承接上文“一台主機放的很遠,顯示器放的很近”的比喻,雲遊戲解脫了玩家手裡的設備(最簡情況下只需顯示器),但對對遠端的主機(服務器)和中間的連接線(通訊技術)三個地方都有很高技術要求。

  放在遠處的主機(服務器端)

  CPU和GPU

  如果你對計算機行業少有瞭解,一定注意到了在上文提到各類雲遊戲服務中,只有NVIDIANVIDIA的“畫風最為奇特”。因為在大多數人的認知里,NVIDIA不是一家遊戲公司,也不是一個遊戲平台,它最被廣為人知的是它的顯卡業務。

  但從NVIDIA涉足雲遊戲業務,就能看出遊戲與芯片產業幾十年來的耦合關繫了。

  引用NVIDIA官方的一段有些自誇的描述,NVIDIA在1999年在業界倡導 GPU 概念,重新定義了現代計算機顯卡,並將計算機與家用遊戲聯繫起來,於 2000 年美國互聯網泡沫破滅之時為家用計算機市場找到了全新的成長空間。

  後續的故事我們都知道了,在整個PC時代的晚期,“能玩遊戲”是對一台電腦很重要的指標,而“能流暢玩遊戲大作”則是對一台個人電腦最好的讚譽。這種衡量標準甚至延續到了移動互聯網時代,蘋果公司在 iPhone 前幾代的發佈會時,每次都會請出一款名為《無盡之劍》的3D遊戲為其最新的產品性能背書。

  自然,遊戲與硬件性能、成本之間的相互促進與帶動作用也會延續到雲遊戲時代,甚至會比之前有過之而無不及。

  與過去遊戲帶動消費者更換新設備不同,雲遊戲的主要運算放在雲服務商的機房裡,因此更易於對新芯片的批量換代升級。硬件在性能上的一點提升與成本的一點下降,對於批量更新的雲服務運營商來說都意味著巨大的運營成本節省。

  就服務器的核心部件處理器(CPU和GPU)芯片而言,刻蝕工藝至今仍是至關重要的一項技術指標,同時關係到芯片的性能與成本。刻蝕尺寸越小,相同晶體管密度的芯片就越小,一塊晶圓(如下圖)能夠生產的芯片即越多,邊角料(黑色部分)浪費也越少;同理,相同尺寸的芯片上的晶體管數量就會越多。

  目前7nm刻蝕工藝的芯片正逐漸進入市場。以AMD的產品為例,7nm相比於上一代14nm可以將晶體管密度提高一倍,同等頻率下功耗可以降低一半,而同等功耗下性能提升可以超過25%。

  虛擬化

  對絕大多數雲遊戲服務商而言,芯片製造技術並未掌握在自己手裡,那麼,虛擬化就是降低服務器成本,提升服務質量最為有效的手段之一了。

  虛擬化是雲服務中的一個專有名詞,是指將一台物理計算機切割成多台邏輯計算機供用戶使用。

  用一個通俗的比方來說明,雲遊戲與傳統遊戲的模式,就像是電廠統一發電與每家每戶配備發電機的區別。前者理應有更高的效率與更低的成本,但如何實現這個目標,則需要一系列性能管理上的機製,這就是虛擬化的技術要求。

  作為曾經的雲遊戲服務先驅者,OnLive 十分看重玩家的遊戲體驗,並為此配備了成本高昂的服務器。然而,它的一台服務器僅能同時服務於一名用戶,但玩家在使用服務時其玩的遊戲不一定能占滿一台服務器的性能,所以其性能對於不少玩家來說是過剩的,缺乏合理有效的分配,無形之中造成了資源浪費。

  為了整合併分配服務器資源,就需要依靠虛擬化。它允許多個用戶共享同一台物理服務器的資源,同時保持隔離。目前,CPU、網絡接口和存儲的虛擬化技術已經相當成熟,並已廣泛應用於雲計算等服務當中。

  不同的是,雲遊戲對用於圖形處理的GPU依賴性更強,其虛擬化技術對遊戲畫面幀數、響應延遲和畫面質量均會造成不同程度的影響。在虛擬化技術的支持下,一塊物理GPU可以劃分為幾個乃至十幾個虛擬GPU,用戶可以根據自己的需要選擇一個或者多個作為自己雲遊戲主機的配置,從而實現了服務器資源的有效利用。

  然而,由於GPU的結構與技術文檔未對外公開、每次技術更新變化較大,GPU虛擬化的實施較為困難。直到最近幾年,隨著在工程設計、圖形繪製等應用領域的需求增加,GPU虛擬化日益受到關注,技術才日臻完善,但仍有較大的提升空間。

  AMD虛擬化GPU解決方案MxGPU——每個物理GPU支持最多16個用戶遠程工作。

  中間的線(網絡傳輸)

  遊戲程序在雲端運算完了,怎麼推到玩家面前?玩家按下一個按鈕如何讓服務器第一時間知道?雲遊戲

  根據Google今年在遊戲開發者大會上發佈的數據,想要在Stadia上以1080P和60幀運行遊戲,至少需要25Mbps帶寬。然而根據2018年的全球數據來看,僅有中、美、日、英等少數國家和地區的平均水平能夠達到上述要求。

  此外,網絡延遲也是雲遊戲所要面臨的一項挑戰。哪怕遊戲大廠,在雲遊戲上線初期也難以搭建高密度的服務器網絡,大部分玩家均會受到與服務器的物理距離較遠的困擾,哪怕是幾十毫秒的額外延遲,對於遊戲體驗的影響也是巨大的。

  而且,雲遊戲對網絡的要求是要在從服務器到玩家手中的設備之間,任何一環都高於其最低要求。在互聯網環境下,點與點之間的帶寬瓶頸並不取決任何一個中間段,而是對整個網絡鏈路都有要求。

  比如,服務商可以批量採購帶寬服務,將服務器以最高的速度接入到骨幹網絡,玩家可能也辦理了200Mbps的家庭寬頻。但是,從家庭的入戶網線到玩家手中的設備之間,往往還隔著一個家用無線路由器(WiFi),如果型號較老,也可能成為雲遊戲這類高帶寬、高即時性服務的瓶頸之一。

  因此,為了改善這兩個問題,目前主要有三個解決思路:

  1 視頻編解碼

  雲遊戲對帶寬的要求,本質上是因為雲遊戲將其在雲端渲染好的遊戲畫面當作一整個視頻流推向用戶,用戶就好像是在隔著視頻電話打遊戲一樣。

  因此,視頻編碼越先進,就能在越低的帶寬下完成越高畫質的傳輸。

  視頻的編碼是將視頻流壓縮的過程,目前採用的主流編碼技術H264的壓縮率不高,導致在遊戲畫面傳輸過程中需要的網絡帶寬較大。

  在過去,推Activision頻編解碼技術發展的主要是視頻平台,因為他們在業務成本上與視頻編解碼技術強相關,有動力投入研發。在未來,雲遊戲廠商更有可能成為視頻編解碼技術的推動者。

  從目前來看,新一代的H265技術在相同畫質的情況下理論上能比H264減少一半的空間。還是拿Stadia的官方數據來看,4K解像度的帶寬要求為30Mbps,相對於1080P的25Mbps並未呈現比例式的增加,這一情況就被普遍認為是4K的遊戲畫面會採用更高壓縮率的編碼技術。

  然而在提高壓縮率的同時,不可避免地會增大編碼與解碼所需要的時間,減少帶寬和降低延遲出現了魚和熊掌的情況。為此,Intel、NVDIA和AMD都給出了各自的硬件編碼方案。

  以NVDIA 在 2017 年開始量產銷售的Tesla P100 GPU 為例,其對 4K 超高清視頻編碼相比於基於 CPU 的編碼有平均大於 100 倍的提升,這將能大大降低雲遊戲等需要高清實時編碼應用在雲端的延遲。

  2 WiFi

  上文談到,雲遊戲對整個網絡鏈條都提出了要求,在中國經曆幾輪提速降費之後中國城市的帶寬水平已經基本能滿足雲遊戲的傳輸需求。但是,讓很多人忽略的是,在從入戶網線、光纖到手機與電腦之間的無線路由(WiFi)其實已經成為製約網速和網絡反應速度的一個關鍵瓶頸。

  對於一般消費者來說,普遍評判無線路由器的好壞標準是之一是“穿牆能力好不好”。但其實,穿牆能力並非與一個路由器的品牌與質量有關,而是直接與 WiFi 協議標準有關。

  WiFi 技術標準目前由國際電氣和電子工程師協會(簡稱IEEE)推進,目前主流的商用無線路由器均採用 802.11ac 作為標準生產。802.11ac 在上一代標準 802.11n 的基礎上增設 5Ghz 頻段,拓展了 WiFi 的傳輸速度,理論最大可實現 1.73Gbps 的傳輸速度。

  但 802.11ac 也有它的弱點,就是穿牆能力較差,因此在實際使用中都是與 802.11n 並行。這也是為什麼我們經常能看到兩個WiFi 信號,其中一個名字是帶 5G 的,信號總是差一點但速度反而會快一點。

  然而,理論是理論,實際是實際。

  首先,中國消費者不習慣於頻繁更換無線路由器,有不少已經上了光纖入戶的家庭還在使用老式不支持 802.11ac 的路由器,並未意識到自己家裡的路由器已經成為網速瓶頸。

  其次,市場上消費者最喜愛的百元級路由器產品,僅滿足 802.11ac 的最低標準,在實際中經過中距離傳輸和家庭障礙物阻擋帶寬進一步損耗,很可能不能滿足雲遊戲的運行。

  目前,下一代 WiFi 標準 802.11ax 有望在 2019 年正式公佈,市面上已經有基於 802.11ax 試生產的路由產品。但按照消費者更換家用路由器的節奏來看,全面普及之路尚且遙遠。

  3 5G、MEC

  那麼,如何解決網絡傳輸的最後一公里問題呢?

  5G技術可能會比 WiFi 更合適,一方面在移動通信技術發展到第五代之後,移動通信的傳輸速度與成本已經接近 WiFi 的中距離通信水平。另一方面,從商業角度考慮,雖然消費者不喜歡換路由器,但他們每年都喜歡換手機,因此 5G 可能比新的 WiFi 設備更早的普及覆蓋。

  5G 和 4G 之間的差別,除了老生常談的提速降成本之外,還有一個十分重要的特性就是降低延遲。這一特性除了可用於對大量物聯網設備進行實時接入之外,對雲遊戲這種要求即時反饋的需求也可以滿足。

  除此之外,在 5G 時代的移動邊緣計算可能會為雲遊戲帶來更多的想像空間。

  多接入邊緣計算(Multi-access Edge Computing,MEC)是一種網絡架構,它的基本思路是將雲計算的一部分能力,由“集中”的機房遷移到網絡接入的邊緣。從而創造出一個具備高性能、低延遲與高帶寬的電信級服務環境,加速網絡中各項內容、服務及應用的反應速度,讓消費者享有不間斷的高質量網絡體驗。

  據估計,將應用服務器部署於無線網絡邊緣,可在無線接入網絡與現有應用服務器之間的回程線路(Backhaul)上節省高達35%的帶寬使用,且能夠有效地降低網絡延遲。

  之前,我們將雲遊戲比作玩家在用本地的手制和顯示器,玩一台千里之外的“遊戲機”。那麼,如果在城市或其它玩家集中的地區,邊緣計算有可能讓這台“遊戲機”並不那麼遙遠,從而進一步降低中間的信號傳輸成本與反饋延遲。

  2018年6月,由中國聯通舉辦的邊緣雲生態合作夥伴大會上,中國聯通協同騰訊現場展示了基於5G MEC的騰訊雲遊戲“王者榮耀”,在體驗現場為玩家提供了20毫秒級別的低延遲遊戲環境。

  前沿遊戲與前沿技術的相互促進

  在NVIDIA官方的公司介紹中,這家芯片公司似乎將遊戲產業與計算機的發展聯繫起來。事實上,這隱藏著一段並沒有被提及的曆史。

  2000年,也就是NVIDIA所說“發明GPU,推動PC遊戲市場”的第二年。美國互聯網行業迎來了第一次泡沫破滅。

  90年代初期以來網絡運營商和早期互聯網公司渲染的互聯網連接一切的落地場景由於技術尚未成熟而遭到重創。在此之前,“上網”曾是個人計算機的主要應用場景也是拉動個人計算機市場的重要因素。

  因此,互聯網行業泡沫的破滅也讓個人電腦行業遭遇到了消費者的質疑——每個家庭真的都需要一台電腦嘛?

  補上這個背景,就不難理解作為一家芯片企業會將遊戲作為其公司介紹中的起點。

  GPU的出現,對個人計算機圖形渲染能力的提升,使得個人計算機有機會進入到另一個當時早已起步的市場,即電子遊戲市場。而這一市場支撐個人電腦及其上遊芯片企業渡過了一次寒冬。

  誠如 NVDIA 在公司介紹中所說,GPU 的出現對遊戲和PC產業形成了雙向促進。一方面,它為PC度過艱難的互聯網泡沫破滅期提供了全新的支撐性場景。另一方面,消費者只要多花一點錢買一個性能好一些的電腦,那麼除了作為電腦傳統的辦公、上網需求之外,還能滿足遊戲需求,也擴大了電子遊戲市場的總體規模。

  這為之後計算機的普及,互聯網產業第二次衝擊“全球互聯”奠定了基礎。

  事實上,電子遊戲對前沿技術的相互促進作用始終存在。除芯片產業之外,在VR/AR、人工智能、區塊鏈、操作系統領域,遊戲也有著廣泛的帶動作用。

  比如,移動互聯網早期,蘋果憑藉的正是Angry Birds、Doodle Jump、水果忍者等精緻的遊戲在消費者心中將 iPhone 與傳統手機劃開認知界限。正是虛擬現實遊戲激發了HTC、索尼和Oculus紛紛推出VR設備,帶來了新一輪的VR浪潮。在區塊鏈成熟於商用領域落地之前,也是各類區塊鏈遊戲擴大了這一技術在行業和消費者領域的認知。

  就像人工智能的三次浪潮只有第三次才得到了普遍應用,當下我們無法判斷這一輪雲遊戲浪潮是否就是雲遊戲最終得以普及應用的那一次。

  但雲遊戲作為一個電子信息產業全產業鏈高度集成的復合產品形態,必然對整個鏈條中的每一項技術都有著較強的依賴與促進作用。

  也許,這便是巨頭們紛紛進入這一市場的原因吧。

  From:騰訊研究院

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