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当算力发展到一定程度,游戏是否可以突破“多边形”的框架,进而模拟粒子,从而达到复刻现实的程度? 第1页

  

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复刻现实,这四个字可真的不是说说那么简单:

  1. 模拟所需运算量,超乎想象。
  2. 如何确保你已掌握了“粒子的全部性质“?


先举个栗子,和知友 @小侯飞氘的回答类似。我几个月前刚刚模拟了单个细胞在不同能量粒子/光子下的辐射损伤[1],因为细胞损伤模拟只需要考虑DNA损伤,也就是模拟:

  • 粒子/光子与DNA的物理反应,得到能量沉积(对应直接电离DNA化学键的物理损伤)。
  • 粒子/光子所产生的电子与水反应,产生自由基。
  • 自由基随时间扩散,并与其他自由基以及DNA分子发生化学反应(对应间接破坏DNA化学键的化学损伤)。

而人体细胞中,单个细胞的DNA含有约60亿个碱基对。模拟中的单细胞,包括其中的DNA,都是填充液态水的对应几何结构,而非原子。就是这样的“部分模拟现实”,在超算里跑几千个质子,花了我两天时间。而这,还只是模拟了2.5纳秒的化学阶段。要知道,在实际情况中,自由基的寿命至少是以微秒计。且人体,有大约几十万亿个细胞。

所以,游戏中的复刻现实,可就不是单个细胞与单个粒子的相互作用问题了,那至少得有“是兄弟就来砍我”的效果。这一刀下来,所涉及到的“现实”包括但不限于:

  • 人体组织/细胞中的海量化学键,由于应力集中而被破坏(说人话版:捅/砍出了伤口)
  • 多个神经细胞通过细胞膜两侧离子浓度变化,产生电位差(说人话版:NPC/主角要感觉到疼了)
  • 原子级别下,金属的受力形变[2]和破损(说人话版:刀变形了,有缺口了)

此外,“模拟粒子的全部性质“,也不是件容易的事。很多时候,一些细微的差别,就会造成你无法“复刻现实”。

再举个栗子,金纳米颗粒。因为相比人体组织,金对X光的吸收系数更大,所以,金纳米颗粒被作为造影剂用于临床。也因此,其放射增敏效果,也被考虑到放疗中[3]。在很多动物实验中,通过研究吸收了金纳米颗粒的癌细胞的死亡率,以及患癌小鼠的存活曲线,确实发现有相当明显的效果。

然而,在计算机模拟中,其模拟出来的效果却相当有限,远小于动物实验中的效果。所以,直到目前为止,对金纳米颗粒放射增敏机制的理解,还有太多空白。微观的物理相互作用知道了,宏观一点的自由基扩散和化学反应也知道了,可DNA的修复呢?细胞溶酶体主动吸收金纳米颗粒而造成的簇团效果呢?这些都可能是造成模拟无法“复刻现实”的原因所在。这种情况下,可就不单纯是算力的问题了。

因此,通过模拟微观粒子已知的性质,目前只能用来辅助基础科学研究。在粒子物理实验中,这种用途早已不是新鲜的事情。比如欧洲核子中心(CERN)的ATLAS和CMS实验组,就通过Geant4的模拟结果,来设计探测器,并优化重建算法等等[4]


所以,要我说,如果算力真的发展到这种近乎无穷的地步,咱们的第一反应,应该是:

先给搞基础科学的小伙伴们爽一爽!

(掩面逃

参考

  1. ^DNA辐射损伤与粒子物理实验模拟 https://zhuanlan.zhihu.com/p/89851695
  2. ^小侯飞氘的回答 https://www.zhihu.com/question/416933099/answer/1440334779
  3. ^黄金等贵金属除了用来作为货币,还有什么用途吗? https://www.zhihu.com/question/314475039/answer/620214105
  4. ^Simulation in the 21st century https://news.fnal.gov/2014/10/simulation-in-the-21st-century/

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17年Nature上有篇论文[1],采用分子动力学(原子级别的模拟)来研究金属变形。

这篇论文是我见过最大规模的原子级模拟,作者估计榨干了整个Sequoia超算的算力,模拟一天产生的数据量就有5 Eb(5000000 TB),差不多是Google当时全球的数据总量。

最大的模型包含2.68亿个原子,三维尺度达到惊人的 . 是金属钽的晶格常数,约为0.33 nm. 差不多0.34 μm的样子。都快有头发丝直径的百分之一了你敢信?

模拟时间(模拟空间中的时间流逝)也很长,最长1 μs,足足有百万分之一秒。

啥,你说要在游戏里采用原子级物理引擎?还要模拟宏观物体?还要实时投影到屏幕上?

emmm...也不是说不行吧。我估摸着,个人电脑的算力再增长个1亿亿亿亿倍,差不多就能实现1fps的流畅度了。

参考

  1. ^Probing the limits of metal plasticity with molecular dynamics simulations https://www.nature.com/articles/nature23472#Sec13

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确实有用类似引擎开发的游戏:

Teardown

游戏是基于体素引擎,原理接近现实微观粒子组成的世界,物体能展现出塑性形变和弹性形变的过程。有别于传统引擎以点线组成三角面的游戏世界。以体素引擎的计算方式,将特别消耗计算机性能,增加粒子的模拟精度(密度),就需要数倍于之前的算力。体素引擎也是未来游戏发展的其一方向。



steam页面:

就算往后人类的芯片工艺突飞猛进,有了近乎无穷的算力,也会被物理规则所制约,完全模拟现实世界很难实现。

举个例子,有一些人在我的世界游戏中用红石电路做出了CPU,做出的CPU能用于计算,但是计算的速度非常慢(不管搭出的架构多好),也就是说游戏的红石电路的速度肯定慢于运行在现实世界CPU里电子的速度。也限制于游戏底层运行的速度。



user avatar   davidtsang 网友的相关建议: 
      

别扯粒子了。就是现在的3D技术,你实时渲染一个光线追踪的照片级画质的3D图像,如果这个场景复杂点,双路2080TI渲染七八小时出一帧画面也非常正常。电影往往都是成百上千台服务器日夜不停的渲染。所以即使基于现在的技术,如果你想达到实时照片电影级画质,电脑计算能力也得提升上万倍才行,电脑提升1万倍性能,没有五十年别指望。




  

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