Wewnątrz Project Scorpio - następny Xbox w szczegółach

W ubiegłym tygodniu Digital Foundry na zaproszenie Microsoftu przybyło do siedziby firmy w Redmond, by wziąć udział w prezentacji technologii napędzającej nowy model konsoli Xbox, skrywany pod nazwą kodową Project Scorpio. Jeśli o ujawnianiu sprzętów mowa, sytuacja była bezprecedensowa: po raz pierwszy mieliśmy tak szeroki dostęp do projektantów urządzenia, na dodatek tak wcześnie przed debiutem. Dowiadujemy się, że prace podobno wyprzedzają harmonogram - do premiery jeszcze sześć miesięcy, a sprawdzaliśmy już sprawnie działający sprzęt, z płytą główną w wersji produkcyjnej, a nie prototypowej.

Specyfikację znaleźć można poniżej, ale Microsoft zaprosił nas z innego powodu: liczby, choć imponujące, nie reprezentują w pełni tego, co zapewnia nowe urządzenie. Jednostki obliczeniowe i teraflopy nie pokazują też pasji zespołu Xboox, jaką na każdym kroku widać w tym projekcie. Microsoft ma coś do udowodnienia. Nie chodzi tylko o wydajność sprzętu, ale także o wyniesienie jakości projektu konsoli na nowe poziomy, we wszystkich obszarach.

Najważniejsze wnioski? Project Scorpio łączy mądre projektowanie z wysoką mocą, osiągając zapowiadany na ostatnich targach E3 poziom sześciu teraflopów dzięki zmodyfikowanemu układowi GPU, który powstał niemal od podstaw z myślą o jak najwyższej wydajności w istniejących grach z Xbox One. Do tego dochodzi bezprecedensowo wysokie - jak na konsolę - taktowanie. Jest też 12 GB szybkiej pamięci GDDR5 oraz zmodyfikowany, ośmiordzeniowy procesor. Wszystko to w zgrabnej obudowie z wbudowanym zasilaczem oraz zaawansowanym chłodzeniem.

Wydajność sprzętu jest bardzo wysoka. Widzieliśmy demo Forza Motorsport włączone w natywnym 4K na ustawieniach zgodnych z tymi z Xbox One, osiągające 60 klatek na sekundę - ze sporym zapasem mocy. To sugeruje, że Scorpio powinno bez trudu zapewnić natywne 4K w większości gier, z dodatkowym miejscem na inne poprawki w grafice.

Silnik Scorpio Engine i wyścig do 4K

Ogólne założenia Project Scorpio ewoluowały od czasu zapowiedzi w ubiegłym roku i w kilku kluczowych sferach są bardzo podobne do pomysłu na PS4 Pro, z czego Microsoft doskonale zdaje sobie sprawę. Wyraźnym celem jest najnowsza generacja telewizorów 4K ultra HD, ale urządzenie z Redmond ma znaczącą przewagę sprzętową nad Pro, w niemal wszystkich obszarach. Nie brakuje jednak filozofii „mądrego GPU” rodem z Sony, choć tutaj wykonanie jest całkiem inne i wspierane znacznie większą mocą obliczeniową.

- Dla mnie 4K to określona lista rzeczy, dużo więcej niż generowanie ponad ośmiu milionów pikseli na ekranie podczas rozgrywki - mówi Kevin Gammill, Group Program Director platformy Xbox Core. - Chodzi o dostarczenie tych pikseli przy teksturach i modelach 4K, by wyglądały świetnie. Chodzi o generowanie ich w kolorach HDR, przy wydajności nie niższej niż te same gry w 1080p. To dla nas bardzo ważne. Przestrzenne audio także potęguje wrażenia, ponieważ najlepsza rozgrywka to nie tylko to, co widzimy, ale i to, co słyszymy.

Podstawą nowej konsoli jest silnik Scorpio Engine, czyli zintegrowany chip (SoC), ponownie przygotowany we współpracy z AMD. Tak jak i inne elementy sprzętu, tworzenie nowego układu bazowało na rewolucyjnym cyklu pracy, możliwym do zrealizowania raczej tylko podczas odświeżania urządzenia w połowie trwania generacji, nie przed startem całkiem nowej.

Xbox One X/ Project Scorpio Exclusive: Final Specs Revealed!

- Gdy zdecydowaliśmy się na 4K, Andrew [Goossen - dop. red.] i zespół wykonali głęboką analizę - mówi Gammill. - Mamy narzędzie o nazwie PIX [Performance Inspector for Xbox - Inspektor Wydajności dla Xbox], które pozwala dokładnie śledzić wykorzystanie GPU. Zespół skrupulatnie przebadał szereg dostępnych tytułów, a celem było włączenie na Scorpio w 4K gier działających w oryginale przy co najmniej 900p. Takie było nasze bazowe założenie i w ten sposób rozpoczęliśmy określanie tego, czym jest Scorpio Engine. To nie tak, że dzwonimy do AMD i wybieramy gotowe części. Potrzebowaliśmy sporo dodatkowej pracy i modyfikacji.

Tradycyjnie twórcy gier muszą pracować w ramach określonych charakterystyk konsoli, ale pomysł na Scorpio zakładał przeskalowanie istniejących gier do 4K, więc zespół inżynierów mógł badać wydane już tytuły i dostosować się do ich potrzeb - a nie odwrotnie. PIX zapewniał dane wysyłane następnie do sprzętowego emulatora, gdzie Microsoft widział, jak produkcje działałyby na potencjalnej konfiguracji Scorpio. Sprawdzono kilka wersji sprzętowych, by znaleźć odpowiedni balans.

- Wzięliśmy dane PIX od naszych czołowych deweloperów... Przejrzeliśmy je ręcznie i określiliśmy, jakich nakładów wymagałoby przeniesienie danej gry do wsparcia 4K - mówi Andrew Goossen, inżynier odpowiedzialny za grafikę. - Otrzymaliśmy model dla wszystkich najpopularniejszych tytułów z Xbox One i mogliśmy potem zmieniać tylko liczbę jednostek obliczeniowych, taktowanie, przepustowość pamięci, jednostki renderujące, shadery czy cache. Mogliśmy modyfikować konfigurację, by znaleźć tę optymalną. Takie kompromisy były dla nas bardzo ważne, ponieważ ostatecznie to właśnie te gry z Xbox One chcieliśmy podnieść do 4K.

Co imponujące, wszystko to miało miejsce rok temu, zanim zbudowano jakikolwiek prototyp. Zgromadzona wiedza pozyskana z analizowania gier Xbox One usprawniła także wprowadzanie modyfikacji w sprzęcie AMD.

- Wykorzystaliśmy także fakt, że bardzo, bardzo dobrze rozumiemy architekturę AMD oraz to, jak udanie sprawdza się w naszych tytułach - kontynuuje Goossen. - Mogliśmy zbadać gry i przeanalizować wiele wewnętrznych systemów poleceń, buforów, cache i FIFO, które tworzą razem głęboki system. Jeśli potrafimy precyzyjnie znaleźć obszary tworzące „wąskie gardła”, możemy zwiększyć potrzebne wartości w bardzo małym obszarze procesora i sporo na tym zyskać.

Efektem końcowym wszystkich tych starań jest 40 jednostek obliczeniowych Radeon, podniesionych do imponującego 1172 MHz. To znacznie więcej niż 853 MHz w Xbox One czy 911 MHz w PS4 Pro. W naszej wstępnej analizie Project Scorpio dużo udało nam się przewidzieć trafnie, ale zegary GPU są ostatecznie dużo szybsze od naszych oczekiwań. To, w jaki sposób Microsoft zdołał dotrzeć do takiej wartości, mówi sporo także o jakości innych elementów konsoli. Warto również zauważyć, że GPU w Scorpio brakuje tylko 94 MHz do maksymalnego zegara boost w AMD RX 480 w nowej architekturze Polaris, który także ma „tylko” 36 jednostek obliczeniowych i wymaga dobrego chłodzenia przy maksymalnych obciążeniach.

- To te najważniejsze elementy, ale jest też sporo innych ustawień, którymi musieliśmy się zająć - mówi Goossen, wskazując na układ procesora Scorpio Engine. - Jak widzisz, podwoiliśmy liczbę shaderów. Jeśli dodać do tego wzrost taktowania, dzięki temu liczba generowanych trójkątów i vertexów rośnie 2,7-krotnie. Podwoiliśmy liczbę jednostek renderujących, podnosząc wypełnianie pikselami 2,7-krotnie. Rozmiar cache L2 w GPU jest teraz cztery razy większy, ponownie z myślą o wydajności w 4K.

Więcej mocy: pamięć, CPU i audio

Liczby się zgadzają: Microsoft dostarcza 6 teraflopów mocy w GPU, ale efektywne wykorzystanie możliwości takiego sprzętu wymaga wzrostów także w innych obszarach funkcjonowania konsoli. Jak często wspominamy w naszych testach kart graficznych, dodatkowe piksele na ekranie wymają odpowiedniej przepustowości.

- W 4K tekstury stają się coraz większe, więc rosną też wymogi renderowania. Potrzeba więc kilku rzeczy: więcej miejsca, więcej przepustowości. Pozostało nam jednak jedno pytanie: o ile więcej? - wspomina Nick Baker, inżynier odpowiedzialny za układ SoC. - Nie chcieliśmy zbudować takiego GPU tylko po to, by zabrakło mu pamięci. Podczas analiz, o których mówił Andrew, mogliśmy przyglądać się także różnym wartościom przepustowości, co szybko doprowadziło nas to zapotrzebowania na ponad 300 GB/s. Ostatecznie wybraliśmy więc 326 GB/s. W Scorpio mamy 384-bitowy interfejs, złożony z 12 kanałów. Każdy kanał to 32 bity.

Scorpio otrzymało moduły GDDR5 z 384-bitowym interfejsem („Więc mieliście rację!” - śmieje się Goossen, przywołując naszą analizę), z dwunastoma 32-bitowymi kanałami. Same moduły działają w 6,8 GHz, co przekłada się właśnie na 326 GB/s. Do tego korzyści z systemu kompresji DCC od AMD, nieobecnego w Xbox One. Zgodnie z ujawnionym w ubiegłym roku renderem płyty głównej, Scorpio posiada 12 GB pamięci: 8 GB przeznaczono dla deweloperów, a 4 GB zarezerwowano na system operacyjny. Ta druga liczba to 1 GB więcej niż w przypadku Xbox One, potrzebne do renderowania menu konsoli w natywnym 4K. Twórcy nadal otrzymują pulę powiększoną o 60 procent. Czasy ładowania na poziomie 1080p z Xbox One zapewni dysk twardy o pojemności 1 TB, ale z przepustowością wyższą o 50 procent.

Potwierdzamy, że zrezygnowano z pamięci ESRAM, co ujawniliśmy już kilka miesięcy temu.

- Nasz system pamięci zapewnia wystarczającą przepustowość, by pokryć to, co dawał dodatek w postaci ESRAM - zapewnia Nick Baker. - Stosujemy po prostu system wirtualizacji do mapowania adresów pamięci tego dodatkowego 32 MB, w ramach GDDR5. Opóźnienia może i są wyższe, ale poprawiona przepustowość oraz wydajność GPU sprawiają, że nie mamy żadnych problemów.

Po stronie CPU wiele mówiło się o tym, że Scorpio zastosuje rozwiązania AMD z rodziny Ryzen, co według nas było raczej mało prawdopodobne, biorąc pod uwagę harmonogramy i ramy czasowe - oraz osiem rdzeni. Wszystko wskazuje na podkręcone rdzenie Jaguar z Xbox One, lecz procesor nowej konsoli to dalsza ewolucja tej technologii, z szerokimi modyfikacjami i odciążeniem CPU poprzez przeniesienie części czynności do dedykowanych układów scalonych.

- A więc osiem rdzeni, w dwóch grupach oraz łączna pula 4 MB pamięci L2 cache. To unikatowe, zmodyfikowane CPU, taktowane w 2,3 GHz. Wracając do naszych początkowych założeń, chcieliśmy zachować stuprocentową wsteczną kompatybilność z Xbox One oraz Xbox One S, podnosząc jednocześnie poprzeczkę w kwestii wydajności - mówi Nick Baker.

Nowe rdzenie x86 są o 31 procent szybsze od tych z Xbox One, z szerokimi modyfikacjami w celu zmniejszenia opóźnień i lepszego balansowania obciążeniami oraz poprawienia współpracy na linii CPU/GPU. Jest też sporo dedykowanych komponentów do części zadań. Niektóre pochodzą z Xbox One, inne są całkiem nowe. Ze starszej konsoli w całości przeniesiono procesor audio, dodając funkcję dźwięku „spatial surround”, co wprowadza pojęcie „wysokości” w istniejących systemach 7.1. Scorpio otrzyma też wsparcie Dolby Atmos w grach, Dolby Atmos dla słuchawek oraz obsługę autorskiego formatu HRTF, przygotowanego przez zespół odpowiedzialny za Hololens. Procesor APB (audio processor block) jest niemal identyczny z tym z Xbox One, więc również starsze konsole otrzymają wsparcie dla wspomnianego spatial surround.

Potencjalnie najbardziej ekscytujący aspekt związany z przeprojektowanym CPU dotyczy jednak nie samego układu, lecz procesora instrukcji GPU - elementu otrzymującego polecenia z CPU i przekazującego je następnie do rdzenia odpowiedzialnego za grafikę.

- Na dobrą sprawę przenieśliśmy Direct3D 12 - mówi Goossen. - Wbudowaliśmy je w procesor poleceń GPU. To oznacza, że wszystkie zapytania tworzone przez daną produkcję są natywnie wprowadzone do systemu kolejkowania poleceń, co przekłada się na super-efektywną komunikację gry z układem graficznym.

Analizowanie takich poleceń - w uproszczeniu: „mówienie” GPU, co ma rysować na ekranie - to jedno z najważniejszych zadań CPU. To także proces wymagający sporych mocy obliczeniowych, zajmujący tysiące, jeśli nie setki tysięcy instrukcji procesora. Scorpio przenosi te obciążenia w inne miejsce, każde polecenie rysowania można wykonać za pomocą zaledwie 11 instrukcji, a zmianę stanu narysowanego już obiektu - 9 instrukcji.

- To dla nas ogromne zwycięstwo, a deweloperzy, którzy zaadaptowali D3D12 na Xboksie mówią nam, że obciążenia procesora zmniejszyli nawet o połowę. To wspaniałe, ponieważ po stronie sterownika to teraz tylko mały ułamek - dodaje Goossen.

Mówiąc wprost: Project Scorpio nie stosuje rdzeni Ryzen, ale zespół inżynierów zbytnio się tym faktem nie przejmuje.

- Po stronie CPU nadal możemy osiągnąć nasze założenia, dzięki wprowadzonym modyfikacjom - zapewnia Kevin Gammill. - Ostatecznie budujemy przecież sprzęt dla konsumentów. Chcemy osiągnąć poziom cenowy zachęcający do zakupu. Chodzi o odpowiedni balans.

Procesor Scorpio Engine mierzy 360 mm², obejmując siedem miliardów tranzystorów. Widzieliśmy projekt układu: większość miejsca zajmują shadery, każdy po 11 jednostek obliczeniowych (plus jeden wyłączony blok, co pozwala obniżyć koszty produkcji). Po prawej od GPU znajdują się dwie grupy rdzeni CPU, z interfejsem pamięci rozmieszczonym na brzegach.

Zintegrowano także najnowszy blok multimedialny od AMD, więc nagrywarka Xbox GameDVR to teraz 4K60 oraz kodek HEVC nowej generacji - można nawet rejestrować obraz w HDR. Jest też nowa opcja screenshotów, by gracze mogli przejrzeć materiał wideo klatka po klatce i wybrać najlepsze ujęcie, bez konieczności wciskania przycisku w odpowiednim momencie.

- Jeśli mowa o wyjściu obrazu, to oczywiście HDMI 2.0, potrzebne do dodatkowych klatek na sekundę w 4K, HDR i szerszej palety barw - mówi Nick Baker. - Dodatkowo, zawsze wierzyliśmy we wszechstronne przetwarzanie sygnału wyjścia, z trzema planami: docelowy render, nakładka systemowa oraz odtwarzane wideo. Każdy z tych elementów ma symetryczne możliwości próbkowania, więc mamy zaawansowany filtr sygnału. Dla przykładu, jeśli renderujemy 4K na telewizor 1080p, możemy to wykorzystać do skalowania w wysokiej jakości.

Skalowanie w dół do 1080p to ważna kwestia. Stali czytelnicy wiedzą zapewne, że często apelujemy o dostęp do różnych trybów obrazu na PS4 Pro, bez względu na rodzaj podłączonego wyświetlacza. Tryby wydajności powinny być dostępne dla użytkowników z panelami 4K, ale ze skalowaniem w dół dla osób zostających przy odbiornikach 1080p. Microsoft takie podejście umieścił w wytycznych dla deweloperów, razem z faktem, że gry nie mogą działać przy liczbie klatek na sekundę poniżej wyników na standardowym Xbox One.

Budując Scorpio: kształt i chłodzenie

W Project Scorpio wyróżnia się głównie taktowanie GPU, a właśnie ten aspekt definiuje współczesne projekty konsol. Obecne na rynku urządzenia stawiają najczęściej na konserwatywne podejście do taktowania tego elementu, w celu ograniczenia generowanego ciepła w zamkniętej obudowie. Tym bardziej należy podkreślić, jak imponujące jest 1172 MHz w wykonaniu Microsoftu.

- Robimy sporo unikatowych rzeczy, starając się osiągnąć kompaktowy rozmiar, ale także ogólną efektywność i zmniejszenie zapotrzebowania na prąd - mówi Leo Del Castillo, menedżer generalny projektów sprzętowych Xbox. - Jedno z rozwiązań to zoptymalizowanie i dostosowanie napięć dla każdego z chipów, by dostawały dokładnie tyle, ile potrzebują... To zapewnia dużo wyższą efektywność systemu i pozwala pozbyć się marnowanego prądu, który zamieniłby się w ciepło.

Microsoft określa takie podejście „metodą Hovisa”. Każdy pojedynczy układ Scorpio Engine schodzi z linii produkcyjnej TSMC z własnym, dostosowanym profilem napięć. Zamiast stawiać na wartości obejmujące wszystkie chipy, producent dokładnie zgrywa płytę główną z procesorem. Mimo wszystko nadal mamy do czynienia z potężnym urządzeniem, więc potrzeba wydajnego odprowadzania ciepła. Tutaj także zastosowano metodę rewolucyjną na rynku konsolowym.

Pisząc w skrócie, zastosowano radiatory z komorą parową. Bazą jest miedziana rurka, wewnątrz której umieszczono jonizowaną wodę destylowaną. Woda pochłania ciepło, które zamienia się w parę. Ta unosi się z gorących miejsc i koncentruje na radiatorze. To wysoce wydajna metoda, ale ciepło nadal trzeba odprowadzić z systemu, a standardowe wentylatory nie dałyby rady.

- Postawiliśmy na adaptowany, specjalnie zaprojektowany wentylator odśrodkowy - wyjaśnia Del Castillo. - Wygląda trochę jak turbosprężarka w samochodzie. Każda część wentylatora została zaprojektowana z myślą o naszym zastosowaniu.

Podczas prezentacji menedżer dosłownie złożył Project Scorpio z gotowych części, na naszych oczach. Biorąc pod uwagę wszystkie opisywane, zaawansowane rozwiązania, uzyskano prostą, elegancką, modułową konstrukcję, w pełni wykorzystującą dostępne miejsce. Dysk twardy spoczywa na specjalnych tłumikach wibracji, co redukuje błędy i przedłuża żywotność. Jest też napęd UHD Blu-ray, przypominający ten z Xbox One S, z pomniejszymi modyfikacjami w celu dopasowania.

Miło widzieć także, że Microsoft zachował wewnętrzny zasilacz: w tym przypadku uniwersalne PSU 245 W, co ma być najbardziej efektywnym urządzeniem tego typu w historii Xboksów. Z tyłu urządzenia aranżacja portów jest identyczna z Xbox One S, ze standardową „ósemką” dla prądu (w odróżnieniu od większego „czajnika” z PS4 Pro). Pomysł polega na tym, by w salonie bez problemów zamienić Xbox One S na nową konsolę. Porty identyczne z tym urządzeniem oznaczają brak wejścia na Kinect (potrzeba adaptera USB), ale nie brakuje HDMI. Ostateczny wygląd obudowy - lub „ID”, jak chce Microsoft - poznamy na E3. Podejrzewamy, że będziecie mile zaskoczeni.

Forza na Scorpio: moc w zapasie

Ale ważniejsze od liczb i trudnych nazw są wrażenia. Microsoft obiecuje, że produkcje działające na Xbox One w 900p lub 1080p powinny na Project Scorpio działać w natywnym 4K. Musimy jeszcze poczekać na weryfikację tych zapewnień. Jak można się domyślać, trudno o zoptymalizowane gry na sześć miesięcy przed premierą konsoli.

Pomimo tego, producent pokazał nam demonstrację o nazwie ForzaTech. Silnik rodem z Xbox One działa na nowym sprzęcie w natywnym 4K, przy stałym poziomie 60 FPS. Jak widać na powyższym screenie, wykorzystanie GPU jest w takiej sytuacji niskie i wynosi 60-70 procent (pełny screen w PNG znaleźć można tutaj). Podkreślamy, że to prosty port Xbox One, nie ostateczna jakość.

- To my. ForzaTech w 60 klatkach na sekundę, w 4K - mówi Chris Tecton, architekt oprogramowania ze studia Turn 10. - Nadal na ustawieniach, które zastosowaliśmy w Forza 6... Ale także z materiałami w 4K... Przygotowaliśmy materiały dla modeli, aut, wszystkiego. Upewniliśmy się, że generujemy tekstury 4K. Mamy je wszystkie w odpowiedniej rozdzielczości i nie ma problemów pod względem przepustowości. Jeśli cofnąć się do momentu, gdy nie mieliśmy powierzchni 4K, różnica wynosiła może jeden procent.

Demo włącza maksymalną liczbę samochodów, pełną sztuczną inteligencję oraz fizykę. To wyjątkowo wymagający test, przygotowany w celu zapewnienia 60 klatek na sekundę, z których seria Forza słynie. Konwersja ForzaTech na Scorpio zajęła zaledwie dwa dni, ale wstępnie działała dużo szybciej. Zespół może włączyć odpowiedniki ustawień ultra z PC i nadal wykorzystać tylko 88 procent GPU, co odpowiada obciążeniu na Xbox One, w 1080p i na domyślnych opcjach. To oczywiście tylko jedna pozycja, ale pokazuje, że Scorpio nie tylko skaluje silniki Xbox One do 4K. W przypadku Forzy jest jeszcze spory zapas mocy.

- Świetnym elementem całej tej opowieści jest fakt, że możemy spędzić czas na myśleniu o przyszłości - mówi Tector. - Zamiast zastanawiać się, jak osiągnąć odpowiednią wydajność, możemy postawić na kompromis i poświęcić czas na iteracje, zmierzając ku lepszej jakości obrazu. Zamiast przejmować się ostateczną rozdzielczością i płynnością, możemy skupić się tylko na jakości.

Oczywiście, jeśli zamierzamy pokazać pierwszą grę na nowym Xboksie, wybranie najbardziej dopracowanego i najlepiej zoptymalizowanego silnika do wewnętrznego studia to pewny wybór. Microsoft zapewnia jednak, że wyniki i skalowanie prezentowane przez Turn 10 w ForzaTech „nie są nietypowe”. Fakt, że deweloperzy tak szybko uzyskali świetne wyniki na konsoli po części wyjaśnia także, dlaczego producent jest gotowy ujawnić urządzenie tak wcześnie, włącznie z dostępem do wielu szczerych, podekscytowanych twórców. Tegoroczne targi E3 powinny być bardzo ciekawe.

Ten artykuł skupia się na kluczowych informacjach na temat Project Scorpio, ale poznaliśmy dużo więcej szczegółów, którymi będziemy dzielić się tak szybko, jak to tylko możliwe.