Web3 驅動的分布式計算網絡如何成為元宇宙重要基建？_WEB

原文標題：《A&T 前瞻: 為什么 Web3 驅動的分布式算力網絡是元宇宙的基礎設施？》

撰文：Rosie，A&T Capital 高級投資經理

根據網上對元宇宙的定義，元宇宙是利用科技手段 (AR/VR/MR/XR 等 ) 在與現實世界映射或 3D 虛擬世界里進行鏈接和創造。筆者建議，把元宇宙看作與真實世界平行的空間，通過不同的技術手段，可以建立趨近于無數個平行的空間。AR/VR/MR/XR 產業帶來的不僅僅是對硬件交互的顛覆，也給人類對空間的理解和在空間的使用上帶來了新的可能。

隨著明年蘋果推出名為 Reality 的 MR 設備，Meta 不斷迭代其 Oculus 的 VR，國內的 Rokid、光粒、Nreal 等 AR 設備廠商也在紛紛出貨，我們已經站在元宇宙爆發的前夕。本文基于對元宇宙硬件發展的理解，推導元宇宙應用大規模爆發時對計算和傳輸的要求，論證為何 Web3 和分布式算力將成為元宇宙時代的計算基礎設施。

以內容作為驅動整個生態發展的底層邏輯，內容與計算和存儲咨詢交互，通過傳輸，內容到達 AR/VR/MR/XR 硬件設備。用戶通過使用終端硬件進入元宇宙。本篇文章講 AR/VR 的發展，重心主要落在計算和傳輸，存儲是另外一個大話題，將在后續文章里單獨進行分析。

AR/VR 設備是用戶進入元宇宙的硬件入口。

AR

AR 全稱 Augmented Reality/ 增強現實，即利用計算機模擬將虛擬物體疊加在真實環境里，使他們在同一畫面和空間存在。

AR 的技術趨勢為光波導 +Micro LED。

Web3運動鞋轉售平臺MetaZ完成100萬美元融資:5月9日消息，美國Web3運動鞋轉售平臺MetaZ Holding宣布完成100萬美元融資，Pinewood Capital參投。MetaZ的韓國子公司MetaZ.inc目前運營著一個基于NFT的運動鞋交易市場Meta[Z]，NFT擁有者能夠交易基于NFT的可收藏運動鞋。[2023/5/9 14:52:55]

VR

VR 全稱 Virtual Reality/ 虛擬現實，即利用計算機模擬生成 3D 虛擬世界，向提供使用者近似真實的感官模擬。

VR 的技術趨勢為折疊光路 +Micro OLED。

雖然 AR 和 VR 的具體技術路線有差異，但是總體的技術框架相似。兩者都是需要通過選擇光源和成像方案，將圖像呈現在顯示屏幕上，給用戶從視覺上制造沉浸感。

本篇文章對沉浸感的定義，是人對計算機系統創造和顯示出來的虛擬環境的感受無限趨近于人類對真實自然環境的感受。為了實現最高沉浸感，也就是最趨于人對真實世界感知的感受，對 AR/VR 設備的顯示要求是類視網膜的要求。AR/VR 設備的顯示屏有 2 個重要參數直接影響用戶的沉浸感：

分辨率 /Resolution 這里先提一個單位，叫做 PPD(Pixel Per Degree)，它決定顯示的清晰程度。與傳統屏幕不同，AR/VR 等近眼設備采用 PPD 衡量屏幕的清晰程度，PPD 代表視野中每一度視場角的像素密度。類視網膜的屏幕需要達到 60PPD。另外一個需要理解的是 FOV(Field of View)/ 視場角，也可以理解為視野。假設單眼橫向 FOV 為 110°，縱向約 120°：2*(110 x 60) x (120 x 60) 按照分辨率定義，也就是一塊差不多 13k 的屏幕才能滿足類視網膜的顯示需求。

刷新率 /Rate of Refresh 可以用 fps(frame per second) 理解，也就是每秒里面有多少幀圖像 ( 一幀就是一張圖像 )。見下圖，當 fps 低的時候，人眼看到的物品的移動是不連續的。隨著幀數增加，人眼感受到的是物品在連續的移動。

西甲將從2023年起將Web3技術納入聯盟:金色財經報道，西班牙足球甲級聯賽宣布計劃實施一個基于Web3技術的足球追蹤系統，將驗證這些足球的真實性以確保球迷可以通過官方市場或抽獎獲得它們。

據悉，該系統計劃在卡塔爾世界杯結束后開始運行，用于回收每場比賽中使用的球，并區分用于進球的特定足球。根據發布的官方新聞聲明，西甲聯賽解釋說，這些得分球將通過“球迷參與機制”提供給所有球迷，該機制將于 1 月 8 日晚些時候公布。（innovation-village）[2022/12/6 21:25:46]

引用：《Frame Rate: A Beginner’s Guide for Live Streaming》

當 fps 低的時候，人會因為畫面的不連續產生暈眩感。所以通過提高 fps 能降低使用 AR/VR 硬件感受到的暈眩感。當達到 60fps 的時候，基本上不會產生暈眩；當達到 144 fps 的時候，就能達到人眼能察覺的最高極限，也就達到了人類感知真實環境的效果。

IDC 公布 2021 年全球 AR/VR 出貨量達到 1,120 萬臺，同比增長 92.1%。如果與智能手機的出貨量做類比 ( 見下圖 )，我們正所處在 AR/VR 時代爆發的前夕。

隨著 AR/VR 總出貨量的增加，越來越多的用戶將通過 AR/VR 設備進入元宇宙，同時使用 AR/VR 設備的在線人數會隨之增加。

沉浸感是通過使用計算機生成的 3D 虛擬世界或是通過圖像生成三維重建世界，投射在 2D 屏幕上讓人感受到距離、光影、色差而得到的。3D 虛擬世界是使用專業的建模軟件 ( 如 unity) 生成的，而 3D 世界 ( 包括三維重建的世界 ) 及里面的模型如何成像在 2D 屏幕上是由渲染決定的。渲染是元宇宙世界里使用最多算力的計算工作類型。渲染算法通過一系列參數 ( 例如光照角度、強度等 ) 計算出模型該有的陰影、顏色灰度等，生產出一張張讓人眼看上去與真實世界非常相近的圖片。用戶在 AR/VR 設備里看到的其實是渲染好的圖片流。現在做渲染的方式大類有三種 ( 見下 )：

Gartner：Web3.0 技術將很快達到其采用的臨界點:金色財經報道，根據Market Research Future的數據，到 2023 年，Web3.0 區塊鏈技術領域的價值將超過 6 萬億美元，從 2023 年到 2030 年，Web3.0 將繼續以 44.6% 的復合年增長率增長。由于 Web3.0 嚴重依賴區塊鏈，許多人錯誤地認為它的命運不可避免地與動蕩的加密貨幣市場有關。然而，加密貨幣只是新領域的一部分。Gartner解釋說，雖然加密貨幣在 2022 年上半年崩盤，但決策者不應假設 Web3.0 技術的價值受到影響。據這家研究和咨詢公司稱，Web3.0 技術將很快達到其采用的臨界點，從飛機維修到食品安全等行業都將對其應用進行代幣化。

Market Research Future 高級研究分析師 Aarti Dhapte表示，區塊鏈是一項經過驗證的技術，可確保加密貨幣和 NFT 的安全性更上一層樓。現在，它已準備好最終改變下一代網絡技術。Web3區塊鏈將徹底改變不同行業現有的常規流程。[2022/9/4 13:07:30]

本地主機：也就是應用程序跑在 AR/VR 設備里，直接使用 AR/VR 設備的硬件進行渲染，渲染完成后直接推圖片流到 AR/VR 設備里的顯示屏。本地主機渲染架構有幾個大的痛點：

AR/VR 應用程序包大，導致在主機端無法同時下載和存儲多個應用；

AR/VR 主機廠的因為需要控制設備成本價格，不會選擇在主機上安裝很多計算資源，因此，AR/VR 設備不能滿足對渲染要求高的場景的應用程序，限制了能在 AR/VR 設備上運行的應用程序數量和類型；

AR/VR 設備與人體接觸，需要維持其運行的溫度在人體能接受的區間，如果做太多本地計算則會使其溫度上升，讓熱管理成為一個問題；

a16z高管：美國國會議員首次通過委員會全體聽證會來強調Web3是互聯網的未來:12月9日消息，今日在美國國會的加密聽證會上，a16z 政策主管 Tomicah Tilleman 表示：這是國會議員首次通過委員會全體聽證會這個平臺來強調 Web3 是互聯網的未來。這是關于去中心化技術的全國性討論中一個歷史性的轉折點，委員會成員承認 Web3 平臺有潛力解決許多他們關心的問題，包括匯款和金融普惠。迄今為止，所有與會者的發言都是合理且具備建設性的。到目前為止，一切順利。

眾議員 Patrick McHenry 接著向 Bitfury 首席執行官 Brian Brooks 提出了一個關于 Web 3 的問題，Brooks 隨后概述了他如何定義 Web1、Web2 和 Web3 之間的區別。[2021/12/9 13:00:23]

由于是佩戴型設備，如果在本地做太多計算，用電速度則會加快，導致用戶需要頻繁充電，降低了用戶的佩戴時間。

基于上述的幾個痛點，AR/VR 內容提供商和主機廠普遍建議不要在本地做太多計算。

串流：也就是應用程序跑在用戶的電腦里，使用電腦的硬件進行渲染，渲染完成后直接推圖片流到 AR/VR 設備里的顯示屏。串流架構最大的痛點在于渲染速度限制于用戶的硬件參數。非常少量的用戶擁有能做到 13k@144 fps 渲染能力的硬件。因此，要達到大規模類人眼的渲染，需要更經濟和拓展性更強的計算方案。

云渲染：也就是應用程序跑在云端服務器里，使用云端服務器的硬件進行渲染，渲染完成后直接推圖片流到 AR/VR 設備里的顯示屏。由于 GPU 的設計是最適合做渲染類型的計算工作，假設：

所有的渲染工作都由云端 GPU 計算資源完成；

每個 GPU 的算力為 7.4TFLOPS - 即每秒處理 7.4 兆個浮點計算。7.4TFLOPS 這個數字是出貨量最大的 GPU 的算力；

聲音 | 余弦：DeepDotWeb暗網導航被端，但又不斷冒出新勢力:慢霧科技聯合創始人余弦發微博稱，繼暗網三大市場被端了后，DeepDotWeb 暗網導航也被端了，FBI 手上的比特幣等數字貨幣籌碼又多了不少。雖然如此，暗網又不斷冒出了新勢力。[2019/5/25]

云廠商擁有所有算力的 30% - 30% 這個數字是基于全球云滲透率是 15.7% 的假設。

2021 年全球 GPU 總出貨量加保有量大約是 4 億顆，預計到 2025 年年底 GPU 總出貨量加保有量大約是～15 億顆。假設云廠商擁有全市場 30% 的算力，按照同比例，云廠于 2021 年擁有 1.2 億顆 GPU，于 2025 年擁有 4.5 億顆 GPU。

根據分辨率和 fps 的要求，算出每渲染一張照片每秒同時使用多少顆 GPU；再從總 GPU 數量，算出支持全球同時在線的 AR/VR 設備數量。可以看到，當渲染計算強度是類人眼時，也就是渲染算力需求是 13k@144 fps 時，使用云渲染框架于 2025 年年底僅支持同時在線 AR/VR 設備數量約為 6 百萬臺。根據預測，僅 2025 年單年 AR/VR 設備出貨量會超 1 億臺。

因此，在可預見未來的幾年內，以云廠商為主要渲染提供商的中心化的渲染算力將不足以支持 AR/VR 時代的到來，需要新的計算方案和框架來支撐元宇宙的爆發。

本文把用戶擁有的節點稱為分布式計算節點，云廠 /IDC 擁有的計算節點稱為中心化計算節點。

通過區塊鏈技術 +tokenomics 的方式來激勵現實世界算力的發展。Multicoin Capital 將這個機制稱為物理工作證明 Proof of Physical Work(PoPW)。PoPW 獎勵用戶執行可驗證的物理工作，在本文里是渲染計算。通過使用協議算法驗證設備的狀態并根據一組預定的規則獎勵算力貢獻者和驗證者。

分布式計算節點執行一個完整的渲染工作，或者一個渲染工作的一部分，將渲染后的圖像以圖像流的方式發送到客戶端 (AR/VR 設備端 )。

在元宇宙里，渲染是對算力要求最高的計算工作。渲染的流程可以大致分為 4 個階段，也叫做渲染管線：

引用《3D 可視化入門基礎：看渲染管線如何在 GPU 運作》

Application 階段：在 CPU 端執行，通常用于準備繪制所需的幾何數據、Uniform 數據等，并發送給 GPU 端；

Geometry Processing 階段：又可以拆分為頂點著色、細分著色、幾何著色、Stream Out( 用于將 Geometry Processing 階段處理的結果寫回到 Buffer 中 )、裁剪 ( 將超過 NDC 的坐標裁剪掉并生成新的頂點 )、以及屏幕映射 (Screen Mapping，將 NDC 坐標映射到屏幕坐標 )；

Rasterization( 光柵化 ) 階段：將上一階段處理的圖 ( 點，線，三角形 ) 轉變為一個個離散的像素塊；

Pixel Processing 階段：將光柵化生成的像素進行著色 (Pixel Shading)，之后將計算好的像素根據一定規則寫入到 frame buffer 或者開發者指定的 buffer 中。

在這些步驟里，有幾步是可以被并行處理的，例如像素著色、頂點變換、圖元組裝或者通用計算等。這些可以被并行處理的計算可以被發送到不同的節點上進行工作，利用分布式節點的算力，成為元宇宙的計算基礎設施。

在上文里提到，當渲染強度是類人眼時，也就是渲染算力需求是 13k@144 fps 時，根據我們的假設和估算，使用云渲染框架于 2025 年年底僅支持同時在線 AR/VR 設備數量～6 百萬臺。到這個零界點時，分布式算力將不僅僅是作為算力的補充，而是成為支持元宇宙發展的剛需。另外一方面，由于云廠的節點分布相比起邊緣節點離用戶的物理距離遠，導致在云端邊渲染好的圖片沒有邊緣邊渲染好的圖片傳輸的快。為了實現 144 fps 的刷新速度，邊緣節點在傳輸距離上比起中心的服務器更短，也就是傳輸會更快。以 tokenomics 的方式作為激勵全球節點貢獻算力的機制，使用 POPW 的方式驗證數據完整性、正確性，推動全球的有算力的節點加入網絡，更好的服務全球不同地方用戶對元宇宙渲染工作的需求。

我們構想的元宇宙算力分布將會類似下圖的架構：

算力

云廠商的 GPU 資源還是會被充分利用，但是作為 general compute resource providers，GPU 資源除了被渲染使用，還有很大一部分會被 AI 相關的領域所使用，所以需要調動更多的計算資源；

通過激勵模式，讓更多的節點加入算力網絡。通過評估網絡里不同節點的算力的強度，分發相應的渲染工作；

AR/VR 端最終會收到多個節點推來的照片流。AR/VR 端只需要對這些照片流進行排序即可在顯示屏上顯示給用戶。

傳輸

理論上來說，電信號的傳播速度是光速，由于物理距離帶來的數據傳輸延遲高的原因在于這些信號在傳輸過程中會有損耗，因此，長距離傳輸需要經過「中轉站」。這些中轉站在收到數據后需要把這個數據的信號加強，還原成剛發出的信號。因為這個過程需要時間，所以總的來說是地理距離越遠，延遲越高。

如上圖所示，當用戶端 1 在離云廠商的機房物理距離遠時，選擇使用就近的分布式網絡節點完成渲染任務；

用戶端 2 在離云廠商的機房物理距離近時且離某些分布式節點近時，選擇混合渲染方案，即中心 + 分布式方案；

AR/VR 端會接收多個節點推來的圖片流，完成排序后，顯示在屏幕上。

Tokenomics + PoPW

使用 tokenomics 激勵全球的網絡用戶加入算力網絡，PoPW 的共識協議確保數據的正確性和完整性。

Tokenomics 用于基礎設施網絡有兩個好處：

能夠在全球范圍內快速擴展網絡，更好的響應全球的渲染工作的需求；

大型物理網絡需要資金投入，不管是前期購入硬件成本還是后期的運維和維護成本。通過使用 tokenomics 構建和維護網絡并將收益全部分配給供應方是一種更具成本效益的解決方案。

分布式算力市場 Mapping

筆者認為，短期來看，Web3 驅動的分布式算力的實現難度高，不管對于渲染模型、降低使用的 GPU 門檻、還是傳輸，還需要時間發展。但是中長期看，這個是一個必然的結果和選擇，將會支持元宇宙大規模爆發，成為元宇宙里算力的重要基建。

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