長(zhǎng)久以來，微軟一直在「絞盡腦汁」優(yōu)化 Windows 操作系統(tǒng)的游戲體驗(yàn)。我們能夠數(shù)得著的優(yōu)化方式就有 10 來種之多，而 DirectStorage 正是其中的重要一環(huán)。

DirectStorage 最初是為 Xbox「Velocity 架構(gòu)」設(shè)計(jì)的 DirectX API。就像 DirectX 12 Ultimate 能提供統(tǒng)一的頂級(jí)渲染技術(shù)那樣，DirectStorage 也為 Xbox 和游戲 PC 引入了先進(jìn)的 IO（輸入/輸出）技術(shù)支持。

在支持 DirectStorage 的游戲 PC 上運(yùn)行兼容游戲時(shí)，將大大縮短加載時(shí)間，為玩家呈現(xiàn)更廣闊、更細(xì)致的虛擬世界。接下來，我們就來詳細(xì)聊聊 DirectStorage 的工作原理，以及它如何徹底改變 Windows 11 的游戲體驗(yàn)。

01. 存儲(chǔ)技術(shù)與游戲 IO 模式的演進(jìn)

隨著 SSD 和 PCIe，尤其是 NVMe 技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代游戲 PC 的「存儲(chǔ)性能」早已今非昔比。相比傳統(tǒng)機(jī)械硬盤（每秒幾十兆）的傳輸速度，像 Xbox Series X 使用的定制 NVMe 固態(tài)硬盤，理論速度就可達(dá)每秒數(shù)千兆，性能提升非常明顯。

與此同時(shí)，游戲的工作負(fù)載也在不斷變化：

• 現(xiàn)代游戲需要加載的數(shù)據(jù)量越來越大，而且加載方式也更加智能。這是因?yàn)椋蟮臄?shù)據(jù)量需要更高效地裝載到「共享 GPU 內(nèi)存」或「專用 GPU 內(nèi)存」中。
• 現(xiàn)代游戲不再是一次性加載「大型數(shù)據(jù)塊」，而是將素材（如紋理）切成小塊，只加載當(dāng)前畫面所需的部分。這種方式不僅提高了顯存利用率，還能帶來更優(yōu)質(zhì)的畫面效果。不過，這也顯著增加了 IO 請(qǐng)求的數(shù)量。

比較尷尬的是，早期的「存儲(chǔ) API」并沒有針對(duì)大量 IO 請(qǐng)求進(jìn)行優(yōu)化，無法充分發(fā)揮 NVMe 的帶寬潛力，導(dǎo)致性能瓶頸，限制了游戲的表現(xiàn)。即使你有頂級(jí)的 PC 硬件和 NVMe 硬盤，傳統(tǒng) API 依然無法完全利用 IO 數(shù)據(jù)通道，寶貴的帶寬就這樣被白白浪費(fèi)掉了。

正因如此，微軟才推出了 DirectStorage 技術(shù)。這是專門針對(duì) PC 游戲存儲(chǔ)和 IO 場(chǎng)景優(yōu)化的全新 API，能夠大幅提升游戲的性能表現(xiàn)。

02. DirectStorage 在 Windows 11 中的工作原理

DirectStorage API 主要從 2 個(gè)方面來提升游戲體驗(yàn)：

• 縮短加載時(shí)間
• 支持更精細(xì)和龐大的游戲場(chǎng)景

這兩個(gè)優(yōu)勢(shì)都源于 DirectStorage 對(duì) IO 系統(tǒng)的全面升級(jí)。舉個(gè)例子：

• 無論是游戲角色服裝的細(xì)膩紋理，還是遠(yuǎn)景中宏偉山脈的渲染，都離不開從「存儲(chǔ)設(shè)備」提取數(shù)據(jù)并傳送到「GPU」的過程。
• 加載時(shí)間的縮短通常體現(xiàn)在場(chǎng)景切換時(shí)加載畫面的提速，而場(chǎng)景細(xì)節(jié)的實(shí)時(shí)加載則更多出現(xiàn)在開放世界游戲中——當(dāng)玩家移動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)方景物實(shí)時(shí)加載，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)卸載已經(jīng)脫離視野的數(shù)據(jù)。

2.1 早期技術(shù)瓶頸

• 傳統(tǒng)游戲的素材流加載速度大約是每秒 50 MB，按照 64 KB 的區(qū)塊大小（即每個(gè)紋理塊的大?。﹣碛?jì)算，每秒最多能處理幾百次 IO 請(qǐng)求。
• 而現(xiàn)在，NVMe 固態(tài)硬盤的傳輸能力已經(jīng)達(dá)到數(shù)千兆字節(jié)每秒。要充分利用這些帶寬，IO 請(qǐng)求量會(huì)激增到數(shù)萬次。
• 以 Xbox Series X 的 NVMe 硬盤為例，2.4 GB/s 的帶寬在相同「塊大小」下，每秒需要處理超過 35000 次 IO 請(qǐng)求，才能完全利用帶寬。

但遺憾的是，早期的「存儲(chǔ) API」需要逐一處理這些 IO 請(qǐng)求，也就是：先提交請(qǐng)求、等待完成，然后再處理結(jié)果。對(duì)于運(yùn)行在機(jī)械硬盤上的老游戲來說，單個(gè)請(qǐng)求的開銷并不大，不會(huì)成為瓶頸。但在面對(duì)每秒成千上萬次的請(qǐng)求時(shí)，這種操作方式就讓 IO 開銷迅速攀升，嚴(yán)重阻礙了 NVMe 帶寬的充分利用。

另外，游戲素材往往是被壓縮過的，在被 GPU 使用之前，必須先解壓。如果游戲加載了再多數(shù)據(jù)，但沒有高效的解壓縮方式，也無法迅速將數(shù)據(jù)送到 GPU 完成渲染。

2.2 DirectStorage 技術(shù)

顧名思義，DirectStorage 就是「直連存儲(chǔ)」。它讓游戲能夠利用最先進(jìn)的解壓縮技術(shù)，并優(yōu)化從 NVMe 到 GPU 的整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸路徑，最大限度地提升各個(gè)環(huán)節(jié)的性能，充分利用 NVMe 來改善游戲體驗(yàn)。

• DirectStorage 允許跳過 CPU 這樣的不必要路徑，讓 GPU 更快地接收游戲數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)幾乎即時(shí)的加載時(shí)間。

• DirectStorage 支持最新的 GPU 解壓縮技術(shù)，可以將解壓縮工作從 CPU 挪動(dòng)到 GPU 中。這就徹底跳過了 CPU，使得 GPU 可以更快、更直接地處理大量壓縮數(shù)據(jù)。

這種方法極大地提高了處理大量 IO 請(qǐng)求的效率，不僅縮短了玩家等待加載的時(shí)間，還能讓虛擬世界變得更加龐大、細(xì)膩，同時(shí)保持與角色行動(dòng)的實(shí)時(shí)同步。

03. 為什么要用 NVMe？

NVMe 不僅僅是一種擁有極高帶寬的固態(tài)硬盤技術(shù)，它的硬件數(shù)據(jù)通道（即 NVMe 隊(duì)列）也非常契合游戲負(fù)載的需求：

• 操作系統(tǒng)通過這些隊(duì)列向硬盤提交請(qǐng)求，而硬盤也通過隊(duì)列向應(yīng)用傳遞數(shù)據(jù)支持。每個(gè) NVMe 設(shè)備可以擁有多個(gè)隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列都能同時(shí)處理大量請(qǐng)求。
• 這種特性完美匹配了現(xiàn)代游戲工作負(fù)載的并行和批量處理需求。DirectStorage 編程模型則讓開發(fā)者能夠直接控制這些高效的硬件資源。

此外，傳統(tǒng)存儲(chǔ) API 往往包含很多「多余步驟」，導(dǎo)致應(yīng)用的 IO 請(qǐng)求在抵達(dá)存儲(chǔ)設(shè)備前，產(chǎn)生不必要的開銷。這些額外操作有時(shí)是基于正常 IO 操作的特定需求，但并非適用于所有 NVMe 硬盤和游戲場(chǎng)景。DirectStorage 能夠在檢測(cè)到這些冗余步驟「非必要」時(shí)直接跳過，從而進(jìn)一步減少 IO 請(qǐng)求的處理開銷。

04. DirectStorage 的軟/硬件要求

• Xbox Series X 和 Xbox Series S 游戲機(jī)原生支持 DirectStorage，這是 Velocity 架構(gòu)的一部分。
• 在游戲 PC 端，Windows 11 和 Windows 10 v1909 及更高版本支持 DirectStorage，但對(duì)硬件有一定要求：
  • 必須使用至少 1TB 的 PCIe 3.0 NVMe 固態(tài)硬盤，不過 PCIe 4.0 會(huì)帶來更好的性能表現(xiàn)。
  • 必須使用支持 Shader Model 6.0 的 DirectX 12 Ultimate GPU。例如 NVIDIA 的 RTX 20 系列及更高型號(hào)，以及搭載 RDNA 2 架構(gòu)的 AMD 顯卡等。
• Steamdb 上有一個(gè)支持 DirectStorage 的游戲列表，共列出了 47 款游戲。

簡(jiǎn)單來說，要想體驗(yàn) DirectStorage 帶來的極致游戲性能，一塊高速的 NVMe 固態(tài)硬盤和一塊支持 DirectX 12 Ultimate 的強(qiáng)力顯卡是必不可少的。

如果游戲和硬件支持，Windows 11 會(huì)自動(dòng)激活 DirectStorage。如果你的電腦配置不支持 DirectStorage，也不用擔(dān)心，游戲依然可以正常運(yùn)行，只不過性能表現(xiàn)會(huì)和以往相同。

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