Piękniejsze światy, których nie wolno było dotykać. Dlaczego fizyka tak odstawała na PS4 i Xbox One?

Pod koniec generacji PlayStation 3 i Xboksa 360 można było odnieść wrażenie, że gry zmierzają w bardzo konkretnym kierunku. Fizyka robiła duże wrażenie, pojawiło się mnóstwo gier, które robiły z niej świetny użytek.

Budynki w Battlefield: Bad Company 2 rozpadały się pod ostrzałem, ciała w GTA IV reagowały na schody, maski samochodów i każdy kolejny strzał, a Red Faction: Guerrilla pozwalał wybić podporę magazynu i patrzeć, jak cała konstrukcja przegrywa walkę z grawitacją. Potem przyszły PS4 i Xbox One, zaoferowały ostrzejszy obraz, lepsze materiały, większe miasta oraz znacznie ładniejsze twarze, ale otaczający nas świat bardzo często zmienił się w piękną dekorację. Można było go podziwiać. Dotykać już niekoniecznie.

Na początku jednak podkreślę, że czym innym jest fizyka kosmetyczna, czyli tysiące iskier, liści, drobin dymu i kawałków szkła niemających żadnego wpływu na rozgrywkę; czym innym fizyka użytkowa, odpowiadająca za pojazdy, szmaciane lalki, liny, wodę czy pojedyncze obiekty; a jeszcze czym innym pełna symulacja systemowa, przez którą zniszczona ściana zmienia drogę przeciwników, osłonę, akustykę pomieszczenia i przebieg misji. Ósma generacja była bardzo dobra w pierwszej kategorii, potrafiła zachwycić w drugiej, ale przed trzecią najczęściej zamykała drzwi. Właśnie tutaj zaczynam opowieść o procesorach Jaguar.

Osiem rdzeni, które na papierze wyglądało całkiem nieźle

Sony i Microsoft w 2013 roku postawiły na podobny fundament. Zainstalowały pojedynczy układ APU firmy AMD, łączący procesor oraz grafikę. PS4 otrzymało osiem rdzeni Jaguar pracujących początkowo z częstotliwością około 1,6 GHz, a Xbox One osiem takich samych rdzeni taktowanych zegarem 1,75 GHz. Obie konstrukcje składały się w praktyce z dwóch czterordzeniowych modułów ze współdzieloną pamięcią podręczną L2. Na papierze osiem rdzeni wyglądało nowocześnie, zwłaszcza na tle trzyrdzeniowego Xboksa 360. Problem w tym, że liczba rdzeni mówi o możliwościach procesora mniej więcej tyle, ile liczba cylindrów o zachowaniu samochodu na torze. Nie przekłada się to 1:1. 

Jaguar powstał jako energooszczędna architektura x86-64 przeznaczona do niewielkich i tanich układów. AMD projektowało ją z myślą o dużej gęstości tranzystorów, małym zapotrzebowaniu na energię i urządzeniach, w których ważniejsza od rekordowej wydajności jednego wątku była rozsądna praca całego pakietu. Dla producentów konsol miało to sens. Można było zmieścić CPU oraz całkiem mocne GPU na jednym kawałku krzemu, ograniczyć temperaturę, koszty i pobór mocy, a przy okazji uciec od egzotycznych architektur poprzedniej generacji. Z punktu widzenia programistów oznaczało to jednak wejście do nowej epoki z procesorem mającym rodowód bliższy oszczędnemu laptopowi niż wydajnemu pecetowi.

Xbox 360 miał trzy rdzenie Xenon taktowane zegarem 3,2 GHz, po dwa wątki sprzętowe na rdzeń i szerokie jednostki wektorowe VMX128. PlayStation 3 korzystało z jeszcze bardziej osobliwego Cella - jednego rdzenia PPE oraz zespołu jednostek SPE, z których sześć było zwykle dostępnych dla gier i potrafiło wykonywać ogrom pracy wektorowej, jeśli ktoś umiał je właściwie nakarmić danymi. Nie oznacza to, że stare konsole miały po prostu „lepsze procesory” - Xenon był układem działającym na zasadach kolejkowania i potrafił długo czekać na pamięć, natomiast Cell stał się legendą również dlatego, że doprowadzał programistów do rozpaczy. Oba dawały jednak utalentowanym zespołom wysokie taktowanie i wyspecjalizowaną moc, którą dało się poświęcić na animację, kolizje oraz symulację.

Jaguar był łatwiejszy do ujarzmienia, obsługiwał wykonywanie instrukcji poza kolejnością i dobrze pasował do nowoczesnych silników dzielących pracę na wiele niewielkich zadań. Nie potrafił jednak magicznie rozłożyć każdego problemu na osiem równych części. Wykrycie kolizji da się szeroko zrównoleglić, lecz już rozwiązanie całego łańcucha kontaktów, ograniczeń i zależności często wymaga poznania wyniku poprzedniego kroku; podobnie zachowują się skrypty, logika rozgrywki i część pracy związanej z animacją. Słaby pojedynczy wątek stawał się więc korkiem, a dwa klastry ze współdzieloną pamięcią podręczną nie zamieniały ośmiu małych rdzeni w osiem niezależnych potworów.

Przy 30 klatkach na sekundę gra ma około 33,3 ms na przygotowanie całego obrazu. W tym czasie CPU musi obsłużyć sztuczną inteligencję, animacje, skrypty misji, dźwięk, przesyłanie danych świata, przygotowanie poleceń dla GPU, sieć, interfejs i dopiero gdzieś pomiędzy nimi fizykę. Nie wystarczy też zmieścić się w budżecie, bo jeden wyjątkowo zły wybuch może natychmiast zepsuć płynność. Gdy na ulicy stoi trzydziestu przechodniów, przez skrzyżowanie jadą samochody, w tle doczytuje się kolejna dzielnica, a każdy przeciwnik szuka drogi do gracza, tysiąc aktywnych odłamków przestaje być efektownym dodatkiem. Staje się dla procesora prawdziwym koszmarem. 

Teoretycznie część rachunków można było przenieść na układ graficzny. Architektura GCN świetnie radziła sobie z ogromną liczbą prostych, podobnych operacji, dlatego cząsteczki, tkaniny, włosy i wizualne odłamki potrafiły wyglądać znakomicie; pełna fizyka rozgrywki jest jednak pełna rozgałęzień, zapytań i synchronizacji, a jej wyniki muszą szybko wrócić do AI, animacji oraz skryptów. Popularne rozwiązania GPU PhysX były dodatkowo związane z technologią NVIDIA CUDA, której konsole z grafiką AMD nie obsługiwały, natomiast własny system oparty na shaderach obliczeniowych wymagał kosztownej pracy nad silnikiem. GPU mogło więc rozsypać na ekranie dziesięć tysięcy efektownych kawałków. Znacznie trudniej było sprawić, aby każdy z nich naprawdę istniał dla przeciwników czy pocisków.

Najlepszym dowodem na proporcje zastosowane w tych konsolach były późniejsze PS4 Pro i Xbox One X. Moc obliczeniowa GPU wzrosła odpowiednio z 1,84 do 4,2 TFLOPS oraz z około 1,3 do 6 TFLOPS, podczas gdy zegar Jaguara podniesiono tylko mniej więcej o jedną trzecią - do 2,13 GHz w PS4 Pro i 2,3 GHz w One X. W rezultacie znacznie łatwiej było zaoferować wyższą rozdzielczość, lepsze filtrowanie, HDR oraz stabilniejszą płynność niż całkowicie nowy poziom symulacji. Ulepszone konsole dostały potężniejsze mięśnie do rysowania świata, ale mózg odpowiedzialny za jego zachowanie nadal pochodził z tej samej rodziny.

Fizyka przestała być zabawką, bo została problemem produkcyjnym

Sprowadzenie całej historii do słabego procesora byłoby jednak zbyt wygodne. Jeśli ścianę można zburzyć, projektant musi przewidzieć, co stanie się z osłoną, nawigacją przeciwników, kamerą, oświetleniem, dźwiękiem, punktem kontrolnym oraz skryptem postaci, która miała efektownie wejść przez istniejące już tylko we wspomnieniach drzwi. Każdy zniszczalny obiekt potrzebuje przy tym geometrii uszkodzeń, parametrów masy i wytrzymałości, uproszczonych kolizji, stanów pośrednich oraz testów obejmujących pomysły gracza, których nikt rozsądny nie umie przewidzieć. Gdy branża zakochała się dodatkowo w ogromnych otwartych światach z gęstszym ruchem, pogodą, cyklem dobowym i ciągłym przesyłaniem danych z powolnego dysku, fizyka nie kończyła się na napisaniu algorytmu, ale dopiero wtedy jej implementacja była szalenie wymagająca. 

Stąd bierze się poczucie regresu wobec poprzedniej generacji, choć pierwsze lata nowych konsol obciążały jeszcze produkcje międzypokoleniowe, a problem był tylko częściowo sprzętowy. Red Faction: Guerrilla zbudowano wokół Geo-Mod 2 i strukturalnego niszczenia budynków, Star Wars: The Force Unleashed łączyło Havoka, Digital Molecular Matter oraz Euphorię, GTA IV uczyniło proceduralne reakcje postaci częścią swojej tożsamości, a Bad Company 2 podporządkowało projekty map systemowi Destruction 2.0. Fizyka była ich punktem wyjścia i powodem, dla którego godzono się na prostsze elementy gdzie indziej. W następnej generacji tę samą pozycję zajęły rozmiar świata, filmowa prezentacja i lepsze animacje.

Dobrze widać to na przykładzie GTA V, które wystartowało jeszcze na starych konsolach, a później poprawiono je w wersjach na PS4 i Xboxa One. Wiele osób do dziś uważa reakcje postaci i masę samochodów w GTA IV za bardziej przekonujące, ale nie dlatego, że Rockstar nagle zapomniał o Euphorii. System nadal istniał, tylko został inaczej dostrojony. Piąta część miała być szybsza, bardziej responsywna i wygodniejsza podczas strzelania, prowadzenia oraz rozbudowanych misji, dlatego realizm ustępował kontroli. To ważne rozróżnienie: czasem „gorsza fizyka” nie jest porażką techniczną, lecz świadomą decyzją, dzięki której gra mniej przeszkadza graczowi w zabawie. Inna sprawa, że gdzieś tam w kuluarach mówiło się, że przy tej skali i wielkości świata, nie da się po prostu wrzucić lepszej fizyki. 

Jeszcze trudniej robi się w sieci. Jeżeli gracz wysadza budynek, pozostali muszą zobaczyć zgodny wynik, a serwer powinien wiedzieć, które fragmenty są osłoną, co blokuje pocisk i którędy może przejść postać. Przesyłanie pozycji setek odłamków pożera pasmo, natomiast odtwarzanie symulacji lokalnie wymaga przewidywalności, historii stanu, korekt oraz resymulacji po opóźnieniu. Właśnie dlatego mnóstwo sieciowych gier tworzy efektowne szczątki wyłącznie po stronie klienta - dla każdego mogą polecieć trochę inaczej, bo po kilku sekundach znikną i nikt nie będzie od nich uzależniał wyniku meczu. Pełna destrukcja jest natomiast zobowiązaniem, którego nie da się usunąć zbyt łatwo. 

Pozostaje jeszcze temat projektowania poziomów. Twórca może zbudować świetną potyczkę wokół dwóch wejść, wysokiej osłony i korytarza prowadzącego do celu, po czym system destrukcji zrobi w ścianie trzeci otwór, zrzuci ważny przedmiot pod mapę i pozwoli ominąć połowę skryptów; AI również musi umieć przeliczyć trasę, zamiast z uporem biec w stronę nieistniejących schodów. Dlatego wiele produkcji korzysta z obiektów przygotowanych wcześniej do pęknięcia, oznaczonych powierzchni, kilku stanów zniszczenia oraz odłamków tracących kolizję po krótkiej chwili. Na ekranie dzieje się dużo, ale autor nadal trzyma rękę na bezpieczniku. Fizyka działa - dopóki nie próbuje zmienić scenariusza.

Te gry pokazały, że Jaguar jeszcze potrafił - tylko trzeba było za to zapłacić

Najmocniejszym pokazem fizyki tej generacji pozostaje dla mnie Control. Telekineza nie wybierała wyłącznie kilku świecących rekwizytów: Jesse wyrywała elementy otoczenia, chwytała przedmioty, rozrzucała meble, kruszyła beton i po każdej walce zostawiała biuro wyglądające tak, jakby księgowość starła się z huraganem. Remedy mówiło wprost o reaktywnym środowisku, ale wersje na podstawowe PS4 i Xbox One potrafiły podczas najbardziej intensywnych starć zejść w okolice kilkunastu klatek na sekundę. To był jednocześnie dowód możliwości i ostrzeżenie: można zmusić Jaguara do spektaklu, tylko rachunek przychodzi natychmiast.

Podobną lekcję dawały Just Cause 3 i Just Cause 4. Liny Rico, podczepiane obiekty, mosty, zbiorniki, anteny i łańcuchowe eksplozje tworzyły piaskownicę, w której jeden głupi pomysł potrafił uruchomić pięć kolejnych. Trzecia część korzystała z silnika Havok i w scenach pełnych chaosu na konsolach wyraźnie traciła płynność, schodząc w najgorszych sytuacjach w pobliże 20 klatek. Avalanche opisywało później przypadki ograniczenia przez CPU i optymalizowanie takich wąskich gardeł. Znów nie chodziło o to, że fizyka była niemożliwa. Była możliwa dokładnie do chwili, w której kilka dużych systemów postanawiało rozliczyć procesor jednocześnie.

Najciekawsze rezultaty osiągały gry, które koncentrowały budżet na jednym rodzaju symulacji. Dying Light łączyło siłę uderzeń, położenie ciała oraz ragdoll z walką i parkourem, Wreckfest poświęcał moc na odkształcenia samochodów i uszkodzenia wpływające na ich prowadzenie, a MudRunner oraz SnowRunner uczyniły błoto, śnieg, przyczepność, zawieszenie i rozkład masy właściwą treścią rozgrywki. Te produkcje wybierały jeden system, budowały wokół niego reguły, animacje i mapy, a resztę świata upraszczały tak, żeby procesor nie musiał jednocześnie zostać meteorologiem, inżynierem budowlanym i specjalistą od trzydziestu niezależnych przechodniów.

Równie sprytne były rozwiązania mniejsze, ale doskonale wkomponowane w grę. Fale w Sea of Thieves wpływały na położenie statku, widoczność i linię strzału z armat, lina w Uncharted 4 potrafiła owijać się wokół różnych elementów, a The Last of Us Part II rozwijało ten pomysł, pozwalając rzucać długą linę i przeciągać ją przez otoczenie. Dreams oddało graczom cały zestaw fizycznych narzędzi, natomiast Battlefield 1 i Battlefield V zachowały niszczenie osłon oraz fragmentów budynków, choć w bardziej kontrolowanej formie niż uwielbiane do dziś Bad Company 2. Nie była to rewolucja obejmująca każdy przedmiot. Był to raczej zbiór bardzo dobrze wybranych sztuczek, które działały, bo projektanci dokładnie wiedzieli, gdzie wolno im ich użyć.

Symbolicznym finałem całej historii okazało się Crackdown 3. Microsoft przez lata reklamował destrukcję wspieraną przez chmurę Azure, zdolną rozdzielać obliczenia między serwery i pozwalać na rozbieranie wieżowców, ale ostatecznie rozwiązanie zamknięto w sieciowym trybie Wrecking Zone; kampania otrzymała znacznie bardziej tradycyjny świat. To nie był wyłącznie zawód marketingowy, lecz niemal podręcznikowy pokaz wszystkich przeszkód naraz - opóźnień, synchronizacji, kosztów infrastruktury, konieczności projektowania gry pod stałe połączenie i problemu z przeniesieniem swobodnej destrukcji do fabularnych misji. Skoro fizykę trzeba było wynieść do centrum danych, a następnie odseparować od głównej kampanii, Jaguar dostał chyba najbardziej wymowną recenzję swojego istnienia. 

PS4 i Xbox One nie były więc generacją bez fizyki. Były generacją, w której fizyka była dedykowania wyłącznie do wybranych scen, pojazdów i efektów, zamiast budowania całego świata. Słaba wydajność pojedynczego wątku Jaguara obniżała sufit, ale decyzje produkcyjne, sieć, rozrost otwartych światów i obsesja na punkcie oprawy graficznej opuszczały go jeszcze niżej. Przeskok na rdzenie Zen 2 w PS5 oraz Xbox Series dał twórcom nieporównywalnie większy budżet CPU, co widać choćby po pojawieniu się konsolowej wersji Teardown wyłącznie na nowszych urządzeniach. Mocniejszy procesor nie sprawił jednak, że fizyka odrodziła się na nowo, co dobrze widać w tej generacji. Zobaczymy, co pokażą nadchodzące Gearsy: E-Day i Wolverine, bo na materiałach promocyjnych fizyka w tych tytułach wygląda bardzo interesująco!