Windows 11：DirectStorage 技术详解，如何提升游戏性能？

长久以来，微软一直在「绞尽脑汁」优化 Windows 操作系统的游戏体验。我们能够数得着的优化方式就有 10 来种之多，而 DirectStorage 正是其中的重要一环。

DirectStorage 最初是为 Xbox「Velocity 架构」设计的 DirectX API。就像 DirectX 12 Ultimate 能提供统一的顶级渲染技术那样，DirectStorage 也为 Xbox 和游戏 PC 引入了先进的 IO（输入/输出）技术支持。

在支持 DirectStorage 的游戏 PC 上运行兼容游戏时，将大大缩短加载时间，为玩家呈现更广阔、更细致的虚拟世界。接下来，我们就来详细聊聊 DirectStorage 的工作原理，以及它如何彻底改变 Windows 11 的游戏体验。

01. 存储技术与游戏 IO 模式的演进

随着 SSD 和 PCIe，尤其是 NVMe 技术的飞速发展，现代游戏 PC 的「存储性能」早已今非昔比。相比传统机械硬盘（每秒几十兆）的传输速度，像 Xbox Series X 使用的定制 NVMe 固态硬盘，理论速度就可达每秒数千兆，性能提升非常明显。

与此同时，游戏的工作负载也在不断变化：

• 现代游戏需要加载的数据量越来越大，而且加载方式也更加智能。这是因为，更大的数据量需要更高效地装载到「共享 GPU 内存」或「专用 GPU 内存」中。
• 现代游戏不再是一次性加载「大型数据块」，而是将素材（如纹理）切成小块，只加载当前画面所需的部分。这种方式不仅提高了显存利用率，还能带来更优质的画面效果。不过，这也显著增加了 IO 请求的数量。

比较尴尬的是，早期的「存储 API」并没有针对大量 IO 请求进行优化，无法充分发挥 NVMe 的带宽潜力，导致性能瓶颈，限制了游戏的表现。即使你有顶级的 PC 硬件和 NVMe 硬盘，传统 API 依然无法完全利用 IO 数据通道，宝贵的带宽就这样被白白浪费掉了。

正因如此，微软才推出了 DirectStorage 技术。这是专门针对 PC 游戏存储和 IO 场景优化的全新 API，能够大幅提升游戏的性能表现。

02. DirectStorage 在 Windows 11 中的工作原理

DirectStorage API 主要从 2 个方面来提升游戏体验：

• 缩短加载时间
• 支持更精细和庞大的游戏场景

这两个优势都源于 DirectStorage 对 IO 系统的全面升级。举个例子：

• 无论是游戏角色服装的细腻纹理，还是远景中宏伟山脉的渲染，都离不开从「存储设备」提取数据并传送到「GPU」的过程。
• 加载时间的缩短通常体现在场景切换时加载画面的提速，而场景细节的实时加载则更多出现在开放世界游戏中——当玩家移动时，远方景物实时加载，同时系统会卸载已经脱离视野的数据。

2.1 早期技术瓶颈

• 传统游戏的素材流加载速度大约是每秒 50 MB，按照 64 KB 的区块大小（即每个纹理块的大小）来计算，每秒最多能处理几百次 IO 请求。
• 而现在，NVMe 固态硬盘的传输能力已经达到数千兆字节每秒。要充分利用这些带宽，IO 请求量会激增到数万次。
• 以 Xbox Series X 的 NVMe 硬盘为例，2.4 GB/s 的带宽在相同「块大小」下，每秒需要处理超过 35000 次 IO 请求，才能完全利用带宽。

但遗憾的是，早期的「存储 API」需要逐一处理这些 IO 请求，也就是：先提交请求、等待完成，然后再处理结果。对于运行在机械硬盘上的老游戏来说，单个请求的开销并不大，不会成为瓶颈。但在面对每秒成千上万次的请求时，这种操作方式就让 IO 开销迅速攀升，严重阻碍了 NVMe 带宽的充分利用。

另外，游戏素材往往是被压缩过的，在被 GPU 使用之前，必须先解压。如果游戏加载了再多数据，但没有高效的解压缩方式，也无法迅速将数据送到 GPU 完成渲染。

2.2 DirectStorage 技术

顾名思义，DirectStorage 就是「直连存储」。它让游戏能够利用最先进的解压缩技术，并优化从 NVMe 到 GPU 的整个数据传输路径，最大限度地提升各个环节的性能，充分利用 NVMe 来改善游戏体验。

• DirectStorage 允许跳过 CPU 这样的不必要路径，让 GPU 更快地接收游戏数据，从而实现几乎即时的加载时间。

• DirectStorage 支持最新的 GPU 解压缩技术，可以将解压缩工作从 CPU 挪动到 GPU 中。这就彻底跳过了 CPU，使得 GPU 可以更快、更直接地处理大量压缩数据。

03. 为什么要用 NVMe？

NVMe 不仅仅是一种拥有极高带宽的固态硬盘技术，它的硬件数据通道（即 NVMe 队列）也非常契合游戏负载的需求：

• 操作系统通过这些队列向硬盘提交请求，而硬盘也通过队列向应用传递数据支持。每个 NVMe 设备可以拥有多个队列，每个队列都能同时处理大量请求。
• 这种特性完美匹配了现代游戏工作负载的并行和批量处理需求。DirectStorage 编程模型则让开发者能够直接控制这些高效的硬件资源。

此外，传统存储 API 往往包含很多「多余步骤」，导致应用的 IO 请求在抵达存储设备前，产生不必要的开销。这些额外操作有时是基于正常 IO 操作的特定需求，但并非适用于所有 NVMe 硬盘和游戏场景。DirectStorage 能够在检测到这些冗余步骤「非必要」时直接跳过，从而进一步减少 IO 请求的处理开销。

04. DirectStorage 的软/硬件要求

• Xbox Series X 和 Xbox Series S 游戏机原生支持 DirectStorage，这是 Velocity 架构的一部分。
• 在游戏 PC 端，Windows 11 和 Windows 10 v1909 及更高版本支持 DirectStorage，但对硬件有一定要求：
  • 必须使用至少 1TB 的 PCIe 3.0 NVMe 固态硬盘，不过 PCIe 4.0 会带来更好的性能表现。
  • 必须使用支持 Shader Model 6.0 的 DirectX 12 Ultimate GPU。例如 NVIDIA 的 RTX 20 系列及更高型号，以及搭载 RDNA 2 架构的 AMD 显卡等。
• Steamdb 上有一个支持 DirectStorage 的游戏列表，共列出了 47 款游戏。

简单来说，要想体验 DirectStorage 带来的极致游戏性能，一块高速的 NVMe 固态硬盘和一块支持 DirectX 12 Ultimate 的强力显卡是必不可少的。