Xbox Series X в цялата си слава и технически характеристики: ревю

Тази година Microsoft и Sony ще поведат нова битка за надмощие в гейминга с излизането на следващите поколения конзоли на компаниите. PS5 и Xbox One X се очаква да бъдат поне два пъти по-мощни от своите предшественици, позволяващи 4К гейминг с над 60 fps плюс трасиране на лъчите. Microsoft не се поколеба да се похвали с досегашния напредък в изграждането на своя продукт и покани репортери на Eurogamer да проверят техните твърдения. Според тях информацията е изключително много, затова те я представиха в най-кратък вид в своя статия. Резултатът е една радикално по-различна конзола, която залага на концентрацията върху три важни фактора: мощност, бързина и съвместимост. Това са областите, в които Microsoft е вложила най-голямо внимание.

Мощността

За функциониране на конзолата компанията инвестира в проектирането на специалната система-върху-чипа Project Scarlett. Процесорът е изграден върху специализиран вариант на 7-нанометровия технологичен процес на TSMC, подобен, но не същия като 7nm+ вариант. Самият чип се побира на пластина с едва 360 кв. мм. площ, включваща 8х AMD Zen 2 процесорни ядра и графично ядро с изчислителна мощност приблизително 12,155 терафлопса.

Ядрата могат да се разделят на две логически ядра (което води до общо 16 нишки). Microsoft твърди, че подобрението в производителността е близо четири пъти по-високо в сравнение с Xbox One X, като ядрата могат да достигат до 3,8 GHz върхова мощност. Има обаче една уловка – тя се постига единствено, когато ядрата не се използват логическите ядра (Hyper Threading е изключена). Решението е в ръцете на програмистите – дали искат игрите им да стартират без функционалността Hyper-Threading, или да жертват 200 MHz от максималната честота, за да разполагат с всички 16 нишки. Честотите обаче не се влияят от натоварването на системата и от температурата – Microsoft държи разработчиците да знаят, че всяко ядро по всяко време работи на максимална мощност.

Според тестовете на Eurogamer активирането на Hyper-Threading води до над 30% повишение на производителността в добре оптимизираните приложения. Microsoft обаче предполага, че като за начало, студията ще предпочетат да работят по-скоро на по-високата тактова честота без логически нишки:

„От гледната точка на разработчиците на видеоигри, очакваме много от тях използват осемте ядра, защото сегашните им игри са проектирани да се изпълняват на до седем работни нишки“ – обясни техническия ръководител на Xbox Андрю Госен. „А за да работят на по-широко, с до 14 работни нишки, трябва да изградят нова по-подходяща система за видеоигрите, в която разпределянето на натоварването много по-ефективно. От проведените разговори с разработчиците разбрахме, че повечето от тях ще изключат SMT (Hyper-Threading) и ще се придържат към по-високата честота“.

Процесорните ядра на този чип имат различни модификации – предимно заради сигурността и бързината на операционната система, като SRAM на целия чип е общо 76 MB. Това означава, че големият L3 кеш на Zen 2 ядрата е занижен. Същите процесори ще заменят и тези в xCloud сървърите на Microsoft. AMD е интегрирала и специална функционалност за ЕЕС коригирането на грешки в GDDR6 паметта, която не намалява производителността на процесора (технологията е патентована от Microsoft). Ядрата поддържат и виртуализация, с което практически могат да изпълняват до 4 Xbox One S сесии едновременно на един чип. Това е страхотна новина за сървърите на Xbox и Microsoft.

Видеокартата: втората част от фактора за мощност на конзолите Xbox Series X

Както споменахме, хардуерът в новата Xbox позволява постигане на изчислителна мощност до 12 терафлопса, благодарение на 3328-те шейдъра, групирани в 52 изчислителни единици (от общо 56, като четири от тях са изключени с цел ускорение на производството). Всеки от шейдърите работи с постоянна тактова честота от 1825 MHz. Госен сподели:

„12 терафлопса беше нашата цел от самото начало. Предвиждахме минимум удвояване на производителността в сравнение с Xbox One X и поддръжка на 4К съдържание със скорост от 60 до 120 fps. И ние искахме това удвояване да е валидно за всяка една игра. Затова целта ни беше теоретичното удвояване на терафлопсовете, макар че практическата производителност ще се покачи много повече. Това решение го взехме преди дори да окончателно да приемем архитектурата на хардуера… Това би изисквало абсурдна консумация на енергия, което на свой ред бе решено чрез преосмисляне на архитектурата. Освен това, на нас ни бе трудно да определим техническите ползи в нашите най-лоши случаи. Целта беше двойно по-висока мощност във всеки отделен случай. Затова най-практичният инженерен метод да подсигурим това бе да предоставим двойно по-висока изчислителна мощност…“

Голям дял от подобрението се дължи на RDNA 2 архитектурата на AMD, осигуряваща „повече производителност за вашия терафлопс“ благодарение на съчетанието на радикално нов дизайн с по-високи работни честоти. Видеокартата на новата конзола работи с теоретично 56% по-добре в сравнение с Xbox One X. Но някои нови възможности, като например динамично променяща се честота на шейдъра, водят до практически в пъти по-висока производителност.

За демонстрация бе представен тестов порт на Gears 5 за Series X. Разработчиците си партнираха с Epic Games, за да адаптират Unreal Engine за хардуера, и повишиха графичните параметри на ниво Ultra за РС (заедно с реализирано глобално трасиране на лъчите). Въпреки все още базовото състояние на неоптимизирания порт, играта работи безупречно на 60 fps, показваща сходен с Nvidia RTX 2080 резултат в бенчмарковете.

Майк Рейнър от Coalition е доволен от тестовете, особено като се има предвид бързината на неговия екиш, и с нетърпение чака да представи възможностите на оптимизираната версия за Series X версия пред феновете (което ще е безплатно за тези, купили си играта за Xbox One). RDNA 2 архитектурата няма еквивалент на Тензорните ядра на Nvidia RTX, но това не е попречило на AMD и Microsoft да въведат машинно обучение в стандартните шейдъри. Едно от най-любопитните нововъведения в света на конзолите обаче е въвеждането на трасиране на лъчите, достъпно на игри, в които се използват DXR и Vulkan интерфейсите. Тук амбицията на Microsoft е довела до страхотни резултати.

RDNA 2 архитектурата поддържа напълно стандарта на DXR 1.1 и подобно на Тюринг ядрата на Nvidia RTX, е способна да симулира BVH компонентите, необходими за изграждането на правдоподобни на реалната физика светлинни явления. Подобно на реалното поведение на светлината, хардуерът може да изчисли взаимодействието на над 380 милиарда светлинни вектора (лъча) едновременно. Госен обясни:

„Без хардуерно ускорение, тази работа може да се извърши и от шейдърите, но сама по себе си щеше да отнеме около 13 терафлопса изчислителна мощност. За Series X тази работа е прехвърлена към специализиран хардуер, работещ паралелно и с пълна производителност. С други думи, Series X може ефективно да постигне над 25 TFLOPs мощност, когато извършва трасиране на лъчите.“

Реално обаче шейдърите не са напълно необременени, а извършват някои изчисления в помощ на специализирания хардуер. Благодарение на DXR обаче тази работа се разпределя ефективно. Има известен спад в производителността, но от друга страна програмистите са свободни да експериментират и оптимизират игрите си по свое желание.

За пример (както се и очакваше) беше дадено DXR демото на Minecraft, подобно на това от Gamescom миналата година. Въпреки че е на видеокарта на друга компания, изненадващо е колко добре работи играта. С изключение на небето, няма нищо растерно в представеното демо. Xbox Series X генерира всяко отражение и сянка с висока резолюция и в реално време.

Скорост и ефективност

Предвид голямата базова мощност на процесора, всеки си представя една сравнително по голяма (и скъпа) конзола. 15,3-те милиарда транзистора (двойно повече от тези на 16 nm процесор на Xbox One X) успешно са побрани на пластина, голяма броени милиметри. За постигане на тази производителност е трябвало да бъде променен не просто процесорът, но и паметта. Решението спрямо особения корпус на машината доведе до вграждане на невиждан досега 320-битов интерфейс на шината и десет GDDR6 14 gbps модула на основната платка – шест модула с по 2GB и четири с по 1GB. Госен обясни:

„Разпределението на паметта е несиметрично, нещо, което не бихме направили с персонален компютър. 10 гигабайта от паметта позволяват трансфер на данни със скорост около 560GB/s. Това за нас е оптималната памет на GPU. Другите 6 гигабайта позволяват трансфер със скорост до 336 GB/s. За нас това е стандартната памет…“

Около 13,5 GB от тази памет се полага на видеоигрите, или 10 GB от оптималната памет и 3,5GB от стандартната. Останалите 2,5 GB от по-бавния тип се използват от операционната система. Решението си има своите компромиси. Според разработчиците игрите бързо могат да запълнят своята област от паметта с данни, подадени от CPU, аудиото, изпълнимите файлове и други, така че за тях компромисите са оправдани за сметка на бързия трансфер на данните. Въпреки че Xbox One X има 384-битов интерфейс, въвеждането на GDDR6 е довело до максимално висока производителност и бързина.

И още, новата Xbox Series X изоставя конвенционалните оптични дискове, за да работи с максимално бързите SSD, вече толкова често срещани в модерните компютри. За целта е интегрирана специално проектирана от Microsoft NVMe шина, обслужваща специфичен вид SSD носител. И тук има компромиси – решението допринася за допълнителна физическа тежест на конзолата, понеже се използва метален охладител. Има обаче едно предимство – при обикновените компютри SSD-та се забавят с повишение на температурата, а това просто не е приемливо за Microsoft и Xbox. Скоростта на трансфер на данни винаги е от порядъка на 2,4GB/s. Основната идея е, ако една игра включва 100GB данни например, то те трябва да са моментално достъпни за системата. Затова Microsoft въвежда специалната Velocity архитектура, като SSD-то използва само част от нея. Госен сподели:

„Вторият ни е компонент е високоскоростен хардуерен блок за декомпресия, който предоставя повече от 6GB/s трансфер на данни. Това е специална част, която освобождава процесора от работата върху декомпресия на архиви… поддържа се Zlib за основните данни, както и нова система за декомпресия, наречена BCPack, която е обвързана с текстурите на игрите, по принцип водещ дял от размера на видеоиграта. Последната част от системата е допълнение към DirectX – DirectStorage, необходим ъпгрейд, като се има предвид, че съществуващите I/O протоколи са вече 30-годишни, и биха изисквали работата на поне две ядра. При DirectStorage се ангажира едва една десета от едно ядро“.

Това е радикална промяна в ефективността на паметта, от която се изисква да бъде по-бърза поради големите размери на текстурите за 4К дисплеи. Velocity архитектурата прилага на практика още една автентична функционалност – Quick Resume, позволяваща прехвърляне между записите в играта в рамките на секунди. Когато затворите играта, данните от RAM паметта се прехвърлят в SSD-то, и когато се върнете обратно на нея, те отново се активират. Играта дори не може да разбере, че конзолата е изключена. Специалистите на Eurogamer видяха как конзолата успешно сменя игрите Forza Motosport 7, State of Decay 2, Hellblade и The Cave в интервали от 6,5 секунди. Според Microsoft, Quick Resume има капацитета да съхрани до три Series X игри на SSD. Ако една игра може да ползва до 13,5GB памет, то за нея се заделят около 40GB от флаш диска. Ако игрите адресират по-малко памет, логично, повече от тях могат да бъдат записани в SSD-то.

Съвместимост с по-стари заглавия

Microsoft винаги е предлагала ненадмината поддръжка на стари Xbox и Xbox 360 заглавия на новия хардуер. Сега идеята е същата, като се очаква конзолата да може да изпълни всяка игра (включително и гореупоменатата The Cave) безпроблемно. Един от компромисите е периферията да се свързва само с USB-A портове, вместо с по-модерните USB-C.

Игрите не просто трябва да работят, но и да изглеждат по-добре. Microsoft обещава бързо опресняване на картината, по-добра графика и по-бързо зареждане на игрите. В демонстрацията Xbox One S заглавията, изпълняващи се по принцип на 1080p резолюция, на Series X се мащабират много ефективно към UHD, запазвайки качеството си. И това се случва на системно ниво, без да има нуждата разработчиците да правят каквото и да е по въпроса. Друга нова функционалност е автоматичното прехвърляне на HDR режима на която и да е игра. Дори и Xbox 360 заглавията могат да ползват HDR. За пример Клод Марайс от Microsoft разкри как машинното обучение спомага за въвеждането на HDR във всеки един кадър от Halo 5. За целта беше въведен специален цветен режим на осветеността на конвенционалната SDR и AutoHDR картината. Обхватът на цветовете при AutoHDR е налице. Марайс сподели:

„Теоретично, AutoHDR може да се приложи на всички игри. Технически, ние все още работим върху усъвършенстването на преживяването. Halo 5 е вече на пет години, но ако бъдем малко по-крайни, можем да минем към заглавия отпреди 19, 20 години, като Fusion Frenzy. Тогава дори и не са чували за HDR, игрите ползваха 8-битови буфери.“

И действително на демонстрацията бе показана и Fusion Frenzy, на 16 пъти по-висока резолюция и с привидно истински HDR режим. Според Марайс това е много добре на достъпността. Ако потребителят има зрителни проблеми, той може да повиши контраста, когато например има много текст на екрана. Може да се приложат и цветни филтри за далтонисти и всичко това без никакво усилие от страна на гейминг студията.

Microsoft се е концентрирал предимно върху тези три насоки, за да представи една много добра Xbox Series X конзола. Окончателният продукт крие много повече изненади, но за тях ще научим, когато той дебютира на пазара, вероятно края на 2020-та година.