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元宇宙之二：算力重构通向Metaverse的阶梯

吉时通信2021-08-02 11:57:34

算 力是元宇宙最重要的基础设施。 构成元宇宙的图像内容、区块链网络、人工智能技术都离不开算力的支撑。元宇宙并不是网络游戏，但与游戏类似的是，元宇宙是一个承载活动的虚拟世界。算力支撑着元宇宙虚拟内容的创作与体验，更加真实的建模与交互需要更强的算力作为前提。游戏创作与显卡发展的飞轮效应，为元宇宙构成了软硬件基础。以算力为支撑的AI技术能够辅助用户创作，生成更加丰富真实的内容。依靠算力的POW（工作量证明机制）是目前区块链使用最广泛的共识机制，算力的护城河保障着数字世界的去中心化价值网络。

云游戏通过改善现有的游戏运算架构，能够解决低门槛高体验的难题。 云游戏是以云计算为基础的游戏方式。游戏在服务器端运行，并将渲染完毕后的游戏画面压缩后通过网络传送给用户，用户所使用的设备终端，只需具有基本的视频解码能力和网络连接功能即可体验云游戏。而云游戏通过将计算与显示分离，降低了设备门槛。打破了平台的限制，PC、主机游戏均可在移动平台上进行畅玩。云游戏技术要求高，经过数年发展已趋于成熟。云游戏主要有5个核心技术：GPU服务器、虚拟化、音视频技术、实时网络传输、边缘计算。目前各核心技术均已趋于成熟，云游戏的落地未来可期。

5G 、边缘计算和智能网卡的发展能够优化云游戏的延时和稳定性，大大提高云游戏的体验。 在云游戏中，玩家的每个输入都必须返回上游到游戏引擎，计算云中的游戏图形变化，将其编码为视频，然后将其发送回游戏玩家。这个过程被称为交互延迟，而正常情况下对于每个玩家的操作反馈应该是即时和连续的。5G和边缘计算能够在网络传输和稳定性上进行优化，改善云游戏的交互体验。而DPU智能网卡通过改进服务器端的运算架构，减少数据处理的延时。

元宇宙或催生新的硬件市场。 私有云游戏是指通过局域网内的算力运算，并将图像传输至终端。游戏库位于用户本地，用户本地的高性能算力设备充当数据中心进行内容分发，以用户自有的Wi-Fi和运营商5G网络为传输介质，第一方或者第三方软件为终端实现的游戏串流体验。游戏、挖矿、家用AI的共同需求可能在硬件端实现统一，与区块链经济的结合可能产生新的硬件机会，诞生类似于“元宇宙矿机”的全新硬件设备。

投资建议：围绕算力重构，重视硬件机会。 算力作为元宇宙最重要的基础设施，元宇宙将推动算力发展：第一，由虚拟世界驱动的算力需求增长；第二，算力分布的结构性升级。算力架构的升级将是元宇宙的投资机会之一，推荐关注算力终端设备、网关设备、边缘计算设备和云游戏商业模式的发展。重点标的：（1）边缘计算：光环新网、顺网科技、广和通、美格智能；（2）IDC：浪潮信息、宝信软件、数据港、奥飞数据、英维克；（3）智能网卡：英伟达、英特尔；（4）通信基建：中兴通讯；（5）终端设备：紫光股份、星网锐捷；（6）芯片及通信模组：乐鑫科技、博通集成、新易盛、中际旭创、天孚通信

算力——元宇宙最重要的基础设施

我们在上一篇深度报告中提出“BAND”（Blockchain、Game、Network、Display）的概念，而云游戏、边缘算力是面向中心化、去中心化架构时重要的基础设施，或将催生新的硬件需求，此文我们单独讨论算力问题。

算力可以理解为数据处理能力，以2018 年诺贝尔经济学奖获得者William D. Nordhaus 在《计算过程》一文中对算力进行定义：“算力是设备根据内部状态的改变，每秒可处理的信息数据量”。

算力是构建元宇宙最重要的基础设施。构成元宇宙的虚拟内容、区块链网络、人工智能技术都离不开算力的支撑。 元宇宙并不是网络游戏，但与游戏类似的是，元宇宙是一个承载活动的虚拟世界。相较于游戏所看重的娱乐性，元宇宙的重点更在于这个虚拟时空的体验，和人们在其中的社交与活动。但与游戏类似的是，元宇宙也需要图形显示、成熟的显示技术作为支撑。

虚拟世界的图形显示离不开算力的支持。 计算机绘图是将模型数据按照相应流程，渲染到整个画面里面的每一个像素，因此所需的计算量巨大。现在用户设备里显示出来的3D的画面，其实是通过多边形组合出来的。无论是玩家的各种游戏，还是精细的3D模型，里面的模型，大部分都是通过多边形建模（Polygon Modeling）创建出来的。实际这些人物在画面里面的移动、动作，乃至根据光线发生的变化，都是通过计算机根据图形学的各种计算，实时渲染出来的。这个渲染过程需要经过顶点处理、图元处理、栅格化、片段处理以及像素操作这5个步骤：

1. 顶点处理： 将三维空间的模型顶点为主，转换到显示器的二维空间。建模越精细，需要转换的顶点数量就越多，计算量就越大。

2.图元处理： 要把顶点处理完成之后的各个顶点连起来，变成多边形。其实转化后的顶点，仍然是在一个三维空间里，只是第三维的 Z 轴，是正对屏幕的“深度”。

3.栅格化处理： 把多边形转换成屏幕里的一个个像素点。

4.片段处理： 计算出每一个像素的颜色、透明度等信息后，给像素点上色。

5.像素操作： 把不同的多边形的像素点“混合（Blending）”到一起，调整像素信息以达到显示效果。

算力支撑着元宇宙虚拟内容的创作与体验，更加真实的建模与交互需要更强的算力作为前提。 游戏创作与显卡发展的飞轮效应，为元宇宙构成了软硬件基础。游戏产业每一次重大的飞跃，都源于计算能力和视频处理技术的更新与进步。游戏3A大作往往以高质量的画面作为核心卖点，充分利用甚至压榨显卡的性能，形成“显卡危机”的游戏高质量画面。游戏消费者在追求高画质高体验的同时，也会追求强算力的设备，从而形成游戏与显卡发展的飞轮效应，这在极品飞车等大作中已有出现。

以算力为支撑的AI 技术能够辅助用户创作，生成更加丰富真实的内容。 构建元宇宙最大的挑战之一是如何创建足够的高质量内容，专业创作的成本高的惊人，3A大作往往需要几百人的团队数年的投入，而UGC平台也会面临质量难以保证的困难。为此，内容创作的下一个重大发展将是转向人工智能辅助人类创作。虽然今天只有少数人可以成为创作者，但这种人工智能补充模型将使内容创作完全民主化。在 AI 工具的帮助下，每个人都可以成为创作者，这些工具可以将高级指令转换为生产结果，完成众所周知的编码、绘图、动画等繁重工作。除创作阶段外，在元宇宙内部也会有NPC参与社交活动。这些NPC会有自己的沟通决策能力，从而进一步丰富数字世界。

依靠算力的POW 是目前区块链使用最广泛的共识机制，去中心化的价值网络需要算力保障。 PoW机制是工作量证明机制，即记账权争夺（也是通证经济激励的争夺）是通过算力付出的竞争来决定胜负准则，从经济角度看，这也是浪费最小的情况。为了维护网络的可信与安全，需要监管和惩戒作恶节点、防止51%攻击等等，这些都是在PoW共识机制的约束下进行。

元宇宙将推动算力发展： 第一，由虚拟世界驱动的算力需求爆发增长；第二，算力分布的结构性升级。 当前的算力架构已无法满足元宇宙对于低门槛高体验的需求，而运算与交互设备的分离已成为趋势。云游戏将使一个低门槛、随处可达的虚拟世界成为可能。

云游戏，算力重构打造元宇宙入口

传统游戏以终端算力支持为主，基于云计算的云游戏处于发展初期。 主机游戏在网络通信不稳定，网速不足的历史环境下为玩家带来了稳定的游戏体验。而随着网络数据传输不再成为数据传输中的薄弱项时，云游戏的缺点减弱，主机游戏的缺点开始显露。

终端游戏运算限制了用户体验，低门槛与高质量无法两全。 一直以来游戏都被称为硬件杀手，游戏引擎技术的发展要快于用户硬件设备的更新换代速度，很多时候用户在用不算很旧手机或者电脑玩最新的游戏时，会遭遇频繁的卡顿，导致游戏体验非常糟糕。设备门槛与游戏画面质量的取舍是传统游戏的痛点，也是网络游戏向元宇宙发展的一大阻碍。

云游戏是以云计算为基础的游戏方式。 游戏在服务器端运行，并将渲染完毕后的游戏画面压缩后通过网络传送给用户，用户所使用的设备终端，只需具有基本的视频解码能力和网络连接功能即可体验云游戏，云游戏和用户数据存储在服务器上，可以实现多端存档和数据共享，本地终端无需下载、安装游戏和存储用户数据，云游戏脱离终端限制，可以跨终端，实现了在云端服务器运行游戏。

而云游戏通过将计算与显示分离，降低了设备门槛。 云游戏通过将游戏运算过程转移到云端服务器，使得游戏不再依赖游戏终端的硬件能力，玩家再也无须通过堆硬件的方式体验最新的游戏。云游戏平台通过大规模的服务器集群，硬件能力非常强大，几乎可以看成是无限的。通过连接云游戏平台，用户使用手机、平板等移动设备也能体验最新的主机级大型游戏，为整个游戏行业注入了新的生命力。

云游戏的可移植性，打破了平台的限制，PC、主机游戏均可在移动平台上进行畅玩。 多平台性起到了一定的导流作用。降低了未来游戏的开发成本。从开发者角度来看，运营平台统一，不同机型的适配降低；在脱离设备限制前提下，也能够集合统一终端设备，降低开发成本。

云游戏进入加速落地阶段。 我们对云游戏的发展进行了粗略的预测划分：第一阶段，需要把云游戏平台搭建好，并把已经开发好的游戏搬到云游戏平台上；第二阶段，在市场接受云游戏后，开发者基于云游戏的优势，开发扩展游戏玩法类型，催生出新的游戏形态；第三阶段，云游戏成为最主流的游戏模式，用户通过VR游戏设备获取类似“头号玩家”的虚拟沉浸式游戏体验。

云游戏技术要求高，经过数年发展已趋于成熟。 云游戏主要有5个核心技术：GPU服务器、虚拟化、音视频技术、实时网络传输、边缘计算。目前各核心技术均已趋于成熟，云游戏的落地未来可期。首先是GPU服务器，随着AI、大数据的发展，推动了高密度GPU服务器的发展。虚拟化技术包含了虚拟机、容器等隔离技术，近年来得到了长足的发展。伴随短视频、直播业务的发展，提升了编解码的效率，扩大了硬件编解码的市场普及度，音视频技术趋于成熟。随着5G落地，网络将更加优质高效，能够支持云游戏的要求。最后，边缘节点的建设也已经比较成熟，能够更好的降低网络拥堵。

云游戏的参与者主要有以下几种：

1. 传统硬件厂商。 硬件厂商产品周期受游戏的影响，为了避免云游戏时代用户硬件更新的需求下降，部分硬件厂商选择主动布局云游戏产业 ，如英伟达推出了GeForce Now云游戏平台。

2. 主机游戏厂商。 主机游戏厂商先天优势明显，多年来积累了大量核心用户及丰富的游戏内容资源，是云游戏时代最具优势的参与者。微软拥有Project xCloud云游戏项目，索尼则拥有PlayStation Now为用户提供云游戏服务。

3. 游戏内容制作方。 云游戏有望帮助游戏内容制作方摆脱硬件设备的制约，带来全新的想象空间。EA公司推出名了Project Atlas的云游戏平台，育碧推出了《刺客信条：奥德赛》云版，探索云游戏时代的产品类型。

4. 互联网公司 。互联网公司拥有巨大的流量入口，云游戏能够打破硬件限制，提升内容价值。代表公司有Google和腾讯。

但云游戏的体验中依然存在重大问题：

网络稳定性：

丢包对游戏体验的影响极大。 在使用视频会议时，1%的丢包率是可以接受的。但是，根据《Gaming in the clouds: QoE and the users’ perspective》中包含的测试和结论，当丢包率等于或大于0.3%时，云游戏用户的体验感迅速降低。数据包丢失对下行链路的影响将导致串流视频严重碎片化，对上行链路的影响是操作丢失。目前大多数云游戏提供商建议至少 10-15 Mbps 的下行链路速度，以获得 720p 分辨率和 60 FPS 的立体声。这种网速要求和显示质量的手机游戏来说已经足够了，但对于想要在高清屏幕或者VR设备上享受终极沉浸式体验的游戏爱好者来说还远远不够。

游戏延时：

云游戏的延时不可避免。 在云游戏中，玩家的每个输入都必须返回上游到游戏引擎，计算云中的游戏图形变化，将其编码为视频，然后将其发送回游戏玩家。这个过程被称为交互延迟，而正常情况下对于每个玩家的操作反馈应该是即时和连续的。根据诺基亚的测算，所需的标准延迟配置文件往返大约为 100 毫秒，其中网络传输不应超过 30 毫秒。然而，对于沉浸感强的游戏，比如FPS、VR游戏，这种延时会非常影响体验。

诺基亚对云游戏延时的细分如下：

用户交互： 用户命令必须在约 15 毫秒内通过互联网到达云游戏服务器

游戏服务器处理： 服务器将需要大约 45 毫秒来处理输入和所需的输出（包括渲染和编码视频帧）

视频流： 流量将再次需要约 15 毫秒才能到达云游戏设备

解码和渲染： 云游戏设备将需要另外约 15 毫秒的时间进行解码和渲染

沉浸感强的交互方式，如第一人称、VR交互，对云游戏延时的要求更高。 低延迟对于多人游戏至关重要，并且经常被游戏玩家引用为云游戏的主要阻力点。我们估计智能手机游戏的理想运动到光子延迟为 70 毫秒，或者大约 30FPS 的两个完整帧，60FPS 的四个完整帧。对于虚拟现实等未来的头戴式显示解决方案，头部跟踪提出了特别苛刻的要求，延迟可能会导致超过 20 毫秒的晕动病。

而5G 、边缘计算和芯片架构的发展，将能够减少延时、提高游戏体验，为云游戏发展扫清障碍。 边缘计算和 5G 连接通过将高计算处理能力放置在更靠近用户和设备的位置，同时提供支持高质量、多玩家游戏体验所需的带宽，从而帮助满足低延迟、高带宽要求。

5G提速为云游戏发展带来关键性机遇。 2019年是中国5G商用元年，2020年5G建设进程大幅提升，仅中国全年新建开通5G基站超60万个。5G时代网络主打超高速、低延时、海量连接、泛在网、低功耗，能在节省能源、降低成本的同时提高系统容量和大规模设备连接能力。5G的三大特性，能够支持各种应用创新，诸如云游戏，可通过5G传输，在云端完成渲染，以超低时延帮助用户获得媲美本地主机的渲染质量。

边缘计算是一种分布式运算的架构，其将应用程序、数据资料与服务的运算由网络中心节点移往网络逻辑上的边缘节点来处理。 由于边缘节点（如智能设备、手机、网关等）离用户或数据源头更近，因此数据的传输和处理速度可以有效提升，减少延迟。

将图形运算能力放在更接近需要的地方可以给玩家更好的体验。 边缘计算可以为所有设备提供高质量的交互式游戏体验，从而增加游戏玩家的体验感。根据聚光灯网的调查结果，游戏玩家认为画面表现是云游戏体验最关键的方面，这意味着游戏玩家对其游戏质量有很高的要求。通过创造统一的体验，游戏玩家将把云游戏视为一种可靠的选择。

算法稳定币（Ampleforth 、BAC 、UST 、FEI ）：成功的先决条件是流动池作为“抵押资产”。

传统算力中心的架构无法适应日益增长的算力需求。 可预见的未来，网络和存储的带宽还会持续的增加，暂时看不到停顿的迹象。而与此同时，CPU的性能却陷入了停滞。这样，以CPU计算为中心的架构越来越无法满足计算性能的要求。

DPU的发展为算力中心降本增效，优化云游戏体验。 DPU，全称是Data Processing Unit，是继承CPU、GPU之后，数据中心场景中的第三颗重要的算力芯片，为高带宽、低延迟、数据密集的计算场景提供计算引擎。如果把一台计算机或服务器比作一个团队，CPU相当于这个团队的“大管家”，负责思考并处理各种业务；GPU是“美工”，专攻图像处理；DPU则相当于“前台”，负责打包、拆包“数据包”，提升整个团队的工作效率。DPU的运用可以降低算力中心成本，提高运算效率，提高云游戏体验的同时降低成本。

中心化or去中心化？

在区块链技术的加持下，去中心化的云游戏模式可能产生新的硬件机会。 云游戏所推动的算力重构是计算与交互终端分离，并且在物理层面接近终端。边缘算力中心的部署位置将会产生完全不同的商业模式，去中心化的私有云游戏目前已有雏形。我们预计，游戏、挖矿、家用AI的共同需求可能在硬件端实现统一，与区块链经济的结合可能产生新的硬件机会，诞生类似于“元宇宙矿机”的全新硬件设备。

私有云游戏是指通过局域网内的算力运算，并将图像传输至终端。 游戏库位于用户本地，用户本地的高性能算力设备充当数据中心进行内容分发，以用户自有的Wi-Fi和运营商5G网络为传输介质，第一方或者第三方软件为终端实现的游戏串流体验。

私有云游戏在降低终端门槛的同时，不改变现有游戏的商业模式。 公有云游戏，但传统的主机玩家和PC玩家未必乐见此景。并不是所有玩家都愿意为“随时随地玩游戏”再多花一份租金。目前已经出现了一些局域网游戏串流平台，让家中的Wi-Fi路由器与主机或PC连接，在家中实现免费的游戏串流体验，再通过移动网络在室外实现免费的云游戏体验。私有云游戏在把终端与计算分离的同时，不改变现有的游戏商业模式，玩家依旧拥有游戏而不用付出额外的费用。

Wi-Fi 6 保障了局域网游戏串流的体验。 Wi-Fi 6是IEEE 802.11ax标准的简称和新的标准名称，相比Wi-Fi 5或者说802.11ac，密集用户环境下实际吞吐量提升4倍，标称传输速率提升37％，延迟下降75％，在更拥挤的无线网络环境下，Wi-Fi 6相比Wi-Fi 5会更加游刃有余。一方面新加入的MU-MIMO技术能够在多设备前提下营造更稳定的网络环境，另一方面更高的频宽带来的低延迟能让竞技性游戏实现串流游玩变得更加现实。经过我们的实际体验（基于steamlink平台），在Wi-Fi6的加持下，局域网的大型游戏串流的稳定性和操作反馈延时远胜于公有云游戏，体感已和主机游戏差别不大。

将算力置于C 端能更有效地延续设备与内容的飞轮效应。 从芯片的发展可以看到，客户端的图形处理能力在以更快的速度提高。尽管网速、可靠性和带宽都在提高，但客户端（移动端、PC、Console）处理能力正在以更快的速度提高。因此，将实时处理放在延迟墙靠近客户端的一侧能够延续游戏主机与游戏内容的飞轮效应，更有可能获得全面的成功。

游戏、挖矿、家用AI的共同需求可能在硬件端实现统一，与区块链经济的结合可能产生新的硬件机会，诞生类似于“元宇宙矿机”的全新硬件设备。这种多功能的算力中心已经出现了相应的趋势，如电动汽车中控屏幕玩大型游戏，就是AIoT和游戏功能硬件统一的结果。