Scorpioエンジン内：プロセッサアーキテクチャディープダイビング

編集者メモ：これはハードコア用です。私たちはすでにカバーしていますScorpioのハードウェア仕様をプロジェクトより広く、投稿されましたこれまでに見たすべての批判的分析、しかし、私たちと共有されているすべてを絶対に知りたいと思う人のために、私たちと共有されているすべての人にとっては、これがあるべき場所です。明日、小売コンソールの建設に関する同様のディープダイビングを実行します。

Project Scorpioの新しいプロセッサのハードウェアアーキテクトとの議論に繰り返しテーマがある場合、それはカスタマイズです。そして公平を期すために、PlayStation 4 System Architect Mark Cernyは非常によく似たポイントを作成しました昨年彼と会ってPS4 Proについて話し合ったとき。 「AMDを呼び出して、この部分、この部分、この部分をとると言うプロセスではありません」と、Xbox Core PlatformのグループプログラムマネージャーであるKevin Gammillは言います。 「非常に具体的なカスタム作業の多くがこれに巻き込まれました。」

もちろん、Scorpio Engine SoC（CHIPのシステム）内のさまざまなコンポーネントとブロックの基本ハードウェア設計は、実際にAMDから派生した技術に基づいています。CPUテクノロジーは、Microsoftがそれらをそれらと呼ばないポイントまでカスタマイズされています。ジャガーアーキテクチャはもうありますが、それは明らかにプロジェクトさそり座デザインが始まりました。同様に、ScorpioのRadeon Graphics Coreには、AMDの最新のPolarisアーキテクチャの機能がありますが、PCスペースには同等の部分はありません。 PS4とXbox Oneから移動しました。ここでは、基本的なGPU構成（コンピューテユニット、テクスチャユニット、ROP）が少なくとも既製のPC部品に比較的マッピングされています。

「それは完全にユニークなデザインです...あなたはこれを他のどこでも購入することはできません。本当に、私たちはこれをAMDと組み合わせて作成しました。 。

「プログラムのいくつかの高レベルの制約と目標は、私たちが最も強力な4Kゲーミングコンソールになりたかったと本当に言いました。他の重要な領域は、Xbox Oneと1つのタイトルとの完全なバックコンパートを維持し、保持することでした。これらのコンソールに追加して、Xbox 360の互換性も可能になります。 「Scorpioの保持と拡張を望んでいたXboxの重要な差別化要因：CPU/GPUコヒーレンシー、GPU仮想化サポート、空間オーディオに使用されているオーディオ処理。たとえば、1080pテレビのスーパーサンプリングの場合、GameDVRサポートも維持および拡張および改善しました。」

シリコンがチップ製造の巨人TSMCから到着する数年前に、Xboxチームは膨大な範囲のシミュレーションと分析を実施することから始めました。 Project Scorpioは事実上中世の更新であるため - 主に4Kスクリーン用に設計された既存のコンソールの拡張機能 - PIX（Xboxのパフォーマンス調査者）ツールを介して粒状レベルでキャプチャされた既存のゲームコードを実行できます潜在的MicrosoftがAMDに行く前に、ハードウェア設計。

「シミュレーションを実行して、パフォーマンスの目標を達成し、バックコンパートを確認し、デザインが正しく機能することを確認したかったのです」とニック・ベイカーは言います。 「完全な設計データベースを社内で撮影しました。シミュレーションをスピードアップできるハードウェアエミュレータがいくつかありました。通常、標準シミュレーターで実行すると、1Hzまたは1サイクルのサイクルがあります。半分以上のMHzは、数か月間24時間年中無休で走行し、100兆サイクルを計算しましたMicrosoftのエンジニアは、統合のためにAMDにロジックを渡しました。

「私たちはすべてのゲームから複数のPIXキャプチャを行い、エミュレータでそれらを実行しました」と、テクニカルフェローのグラフィックスのアンドリューグッセンは、Scorpioのバックコンパート機能を検証するために非常に貴重であることが証明されたプロセスです。 「私たちは30,000を超えるエミュレータランを行いました。これは、ニックの合計サイクルカウントに大きな貢献者であるためです。

プレゼンテーション中にScorpioエンジンのハードウェア設計に深く入り込むと、チップの基本的なレイアウトが会議室に画面に表示されます。完全な設計では、約60のうち2つのマスクレイヤーのみを表しますが、完全なプロセッサの一般的な計画が明らかになります。 360mmです²死んでサイズに関しては、それは非常に似ていますXbox Oneプロセッサ363mm²、しかし、地理は非常に異なります。 28nmの平面製造からTSMCの16NM Finfetへの移行とESRAMの省略は、全体的な根本的な変化を表しています。現在、より多くのコンポーネントがシリコンの同じ領域と、Radeonコンピューティングユニットの4つのクラスターに収まります。 GPUブロックは左側にあり、2つのはるかに小さなクアッドコアCPUクラスターが右側にあり、全体の領域の一部を占めています。合計4MBのL2キャッシュがあります。

「デザインに関する限り、CPUで実際に達成したいことを把握するために、かなりの量のシミュレーションを実行する必要がありました」とBaker氏は言います。 「完全なカスタムCPUデザインを扱う際に、「これをスーパーサイズ」と言うだけではできません。それは簡単ではありません。それを試してみてください。その結果、私たちは本当にやりたいことをターゲットにしたかった。

プレゼンテーションのこの時点で、最もハードコアなユーザーの希望が実現されないことは明らかです。プロジェクトScorpioにはRyzenテクノロジーはありません。マイクロソフトは、昨年8つのCPUコアを確認していることは言うまでもなく、タイムライン、コスト、エリアで、とにかくそれを現実的に支配していました - しかし、希望は続いていましたが、このようなショット予想を奪います。

「物事のCPU側では、私たちが行ったカスタムの変更で設計目標を達成することができました。一日の終わりにはまだ消費者製品です。消費者がこれを購入したい価格に達したいと思います。それは2つのバランスをとることです」とケビン・ガミルは説明します。

ハードウェアが全体的に進んでいるかもしれないが、「Bang for the Buck」は新しいコンソールプロセッサの物理的な構成において重要な要因であることを思い出させてくれます。 Microsoft Architectsは、Xbox Oneの既存のカスタマイズされたデザインを描き、明確なパフォーマンスの勝利が可能なエリアを2倍にすることを目指しました。

「通常、CPUの場合、上位2つの項目は周波数とメモリの遅延です。CPUにデータがある場合、処理できるほど速くなりますが、結果が速くなりますが、データがない場合、そこに座ることも意味します。アイドル、レイテンシは周波数で大きなコンポーネントであるため、レイテンシで「ニックベイカーを説明します」、1つはメモリインターフェイスから戻ってくるキューでした。特に、コア内で、私たちは仮想化されたOS環境を実行しているため、メモリ翻訳操作がどのように行われるかを最適化したいと考えていますCPUはより速く走るだけでなく、より効率的に実行され、最後にあなたにとってより多くのパワーを意味します。」

強化のリストに加えて、MicrosoftはCPU/GPUコヒーレンシーのパフォーマンスを向上させ、GPUコマンドプロセッサの速度を強化および改善して、特にDirectX 12エンジンを使用してCPUから多くの作業をオフロードしました。ただし、Scorpioエンジンのレイアウトを見ると、GPUが占有するスペースの割合はCPUエリアをwar延しています。比率は、Xbox OneとPlayStation 4の両方よりもはるかに大きくなっています。

「Scorpioには4つのシェーダーエンジンがあり、各シェーダーエンジンには10個のCUがあります」とBaker氏は説明します。 「AMDからの設計により、SESの数、CUS [コンピューテユニット]、レンダリングバックエンド、ピクセルブレンドを行うRBS、キャッシュサイズ...およびそれらを作成するのではなく、多くのオプションを選択できます。可能な限り高くなっているのは、バックに最適なことを理解する必要がありました。 -compatも可能な限りスムーズに進みました。」

実際、各シェーダーエンジンには11の計算ユニットがあります。ただし、各SEの1つのCUは無効になっています。小さな欠陥を持つプロセッサが最終コンソールに進むことができます（完全に有効なチップは、開発者のみが利用できます。新しいScorpio Devキット）。 Scorpio EngineのGPUは、HDRとワイドカラーの範囲をサポートして、超HDテクスチャを備えた4Kレンダリング用に特別に対象となっています。 Microsoftの指針となる原則には、開発者がハードウェアの全力にアクセスできるようにできる限り簡単にすることが含まれていました。

「これはすべてに反映されています。開発者に提供する開発者キットに表示されます。パフォーマンスの目標の観点から見ることができます。開発者がその究極の真の4K品質をできるだけ簡単に見せることを望んでいます。アンドリュー・グーセンは言う。 「もう1つの指針は、機能の観点から作業を最小限に抑えることでした。開発者に、そのパフォーマンスを得るためにいくつかの風変わりな新しいコンソール固有のハードウェア機能を利用してもらいたくありませんでした。開発者がScorpioのパフォーマンスと力を紹介し、展示するために。」

Xbox Oneアーキテクチャは、後方の互換性をより促進するためのベースとして選択されましたが、SonyのPlayStation 4 Proと同様に、Microsoftは後のRadeonアーキテクチャから機能を考慮するオプションがありました。両方のプラットフォームホルダーがカスタムデザインに因数分解された要素には、いくつかのクロスオーバーがありますが、かなりの程度の分散もあります。

「私たちが取り上げたScorpioにはPolarisの特徴があります。大きなもののいくつかはデルタ色の圧縮です。そのため、4Kテクスチャと4Kレンダリングソリューションの両方で帯域幅に出てきて、それを実現します」とGoossen氏は言います。 「通常、開発者が統合するのは非常に簡単であり、さらに透過的に透過的に、AMDがPolarisアーキテクチャで行ったいくつかのジオメトリとクワッドスケジューリングの改善を取り上げました。」

Goossenによると、今後のAMD Vega Architecture FactorからScorpio Engineの設計へのいくつかのパフォーマンスの最適化が、PS4 Proになった他の機能 - たとえば、Double Rate FP16処理など​​はありません。ただし、カスタマイズは他の場所で広範囲でした。 MicrosoftのGPUコマンドプロセッサDX12の実装は、Xbox One開発者に大きな勝利をもたらし、Scorpioでの拡大に向けて設定されています。

「それにもかかわらず、私たちは実際にGPUでより速くなります。あなたは今、あなたが今GPUにもっと多くのコマンドを送信していると思うかもしれません。たぶんGPUを遅くしているかもしれません」とGoossenは示唆しています。 「まあ、私たちはコマンドプロセッサに引き寄せられていることはほとんどありません。そして、私たちが現在D3D12で引き分けられているときでさえ、私たちが組み込まれているので、GPUの観点からも私たちはより効率的であるということです。 。

しかし、それは、シリコンの特性を定義するのに最も役立つ4K機能を備えた現在の世代のタイトルを強化するように設計されたコンソールとしてのScorpioのプロジェクトのステータスです。通常、プラットフォームホルダーはコンソールハードウェアを作成し、開発者はそれを完全に活用するために最善を尽くします。今回は、MicrosoftがScorpioで実行されるゲームエンジンをプロファイルし、デザインを最適化してコンテンツを最大限に活用できました。

「私たちがしたことは、すべてのトップ開発者から代表的なPIXキャプチャを取ることでした」とGoossen氏は言います。 「私たちは手でそれらを通り抜けてから、そのゲームが4Kレンダリング解像度をサポートするための作業が何であるかを推定しました。すべてのレンダリングターゲットにブランケットのアップスケールを適用したくありませんでした。それは、DCCを持っているので解決する必要がなくなった場所で、それほど拡大しません。

Radeon GPUアーキテクチャは、さまざまなハードウェア構成を備えた最終的なコンソール設計に組み込まれ、このプロファイリングデータで武装することができ、Goossenと彼のチームは、ターゲット仕様を使用してAMDにアクセスする前に、将来のデザインでコードを効果的にテストすることができます。

「これで、CUSの数、クロック、メモリ帯域幅、RBSの数[レンダリングバックエンド]、SESの数の構成を微調整できるトップセリングのXbox Oneゲームのすべてのモデルがありました。 [シェーダーエンジン]、キャッシュサイズ」と彼は言います。 「デザインを微調整して、最も最適な構成を把握することができました。これらのXbox Oneタイトルは4Kになりたいものであるため、これらのトレードオフを行うことができることは非常に価値がありました。」

最終的なScorpio構成は、6つのテラフロップのレンダリングパワーを打つことでパフォーマンス目標を達成し、Core AMDテクノロジーを搭載したどのコンソールで見たものよりもGPU周波数を大幅にプッシュすることに明確に重点を置いています。

「これには私の視点から2つの素晴らしい美徳があります。ご存知のように、クロックはパイプラインのさまざまなさまざまな部分をすべて駆動して、すべてのボートを育てます」とアンドリュー・グーセンは説明します。 「パイプラインに不均衡が得られたり、新しいボトルネックなどを導入したりすることはありません。2つ目は、ピクセルを押すと、それほど多くの領域を必要としなかったということです。それはXbox Oneで853MHzでした40 CUSを使用すると、OPSのOPに2つのフロップを乗算するために64を掛けた1172を取得すると、正確に6.0TFを取得します。

Xbox Oneと比較して、シェーダーエンジンの量は2倍になります。これは、周波数ブーストと組み合わせて、三角形と頂点速度が2.7倍上昇します。 GPUのL2キャッシュは4倍の増加を獲得しますが、Goossenは4Kパフォーマンスをターゲットにしていると言います。

「これらは一種の大きなアイテムですが、AMDアーキテクチャを本当に、本当によく理解していることとゲームでどれだけうまくいくかを理解しているという事実を活用しました。この非常に深いパイプラインを構成する内部のキューとバッファー、およびFIFOは、ボトルネックを引き起こしている適切な領域を見つけることができれば、非常に小さな領域を増やし、これが非常に大きな焦点を獲得することができます私たちのものを通過するために、あなたは基本的に、Xbox Oneのパフォーマンスを見ている長年の理解についての理解を本当に活用しています。」

確かにPCスペースでは、GPUのパフォーマンスは帯域幅でスケーリングする傾向があります - 計算力を高めるほど、最高のパフォーマンスを得るために必要なメモリが速くなります。 SonyがPS4 Proの設計に制約されている地域です。 8GBのRAMに落ち着いたため、帯域幅を増やし、互換性を維持する唯一の方法は、より速いモジュールを交換することでした。計算電力は2.3倍に増加しますが、帯域幅は24％増加しています。 MicrosoftはXbox OneのDDR3とESRAMコンボを捨て、GDDR5に移動しました。

「4Kアセットの場合、テクスチャは大きくなり、ターゲットも大きくなります。これは、いくつかのことを意味します。もっとスペースが必要です。帯域幅が必要です」とニック・ベイカーは説明します。 「しかし、問題はいくらでしたか？このGPUを構築するのは嫌いで、その後、メモリに飢えなければならないことになります。Andrewが話していたすべての分析では、さまざまなメモリ帯域幅の効果を見ることができました。最終的には、326GB/sを選択することになりましたシグナリングで6.8GHzがそれらを掛けると、326GB/sを取得します。」

ベイカーは、これらの変数が整った状態で、Scorpioが対処するメモリプロジェクトの量をターゲットにすることの決定が本質的にあなたのためになされていると説明しています。容量。 4つのギグがシステム用に予約されています（フル4Kダッシュボードに使用される追加の1GB）。ゲーム開発者には8GBが残ります。これは、Xbox Oneで使用される5GBよりも大幅に増加し、PlayStation 4 Proです。

「インターフェイスとは別に、データがメモリインターフェイスから内部にも効率的に取得できることを確認する必要があります」とベイカーは付け加えます。 「たとえば、CPUの遅延についてすでに話しましたが、特にビデオ出力などのリアルタイムデータを扱っている場合、他の領域では、それらも飢えていないことを確認する必要があります。私たちは、レンダリングターゲットとテクスチャが大きくなり、GPUのページテーブルを微調整するために、チップで発生する多くのサービスの品質を通過して見ました。

「このメモリソリューションは、4Kレンダリングターゲットと4Kテクスチャを提供するという点で2つの主要な課題を解決したため、このメモリソリューションが本当に気に入っています。さまざまなオプションを検討しましたが、384ビット12GBの構成は本当に多くの意味を持ちました」とGoossen氏は言います。

「そして、私たちもその上にDCCを持っています」とベイカーは付け加えます。

ESRAMは、GDDR5の完全に統一されたプールへの移動に伴う要件に余剰であるXbox One SOCのコンポーネントでしたが、SOC内に32MBのメモリを持つことには潜在的な利点があることは間違いありません。ただし、新しいデザインのバランスは効果的にそれを要求しています。

「私たちが持っているメモリシステムは、私たちがEsramから行くものをカバーするだけでなく、十分な帯域幅を持っています」とBaker氏は言います。 「仮想メモリシステムを使用して、古いゲームがGDDR5で32MBになったと考えた32MBの物理アドレスをマッピングします。したがって、潜在性は高くなりますが、総帯域幅と改善されたGPUパフォーマンスを意味します。問題を抱かないでください。」

また、SOC内では、オーディオ処理ブロックはXbox Oneから戻ります - 互換性に必要ですが、システムレベルで強化されて、ホームシアター用のDolby Atmos、ヘッドフォン用Atmos、Microsoft独自のWindows Sonicなどのフォーマットの空間サラウンドシステムサポートを可能にしますHololensチームが開発したHRTFベースのソリューションであるヘッドフォン用。 Scorpioの新品は、AMDの最新のGPU加速メディアハードウェアから派生した技術です。 GameDVRは60fpsで4Kをサポートしており、HEVCエンコードも使用しています。これは、同じビットレートではるかに高品質のビデオを意味します。 GameDVRのHDRサポートは、実際にScorpioに従来の外部キャプチャ機器よりも利点を与えます。

「私たちはあなたの4K60体験の完全な忠実さ、信じられないほど高いビットレートのGamedVR録音を行うことができます」とAndrew Goossen氏は言います。 「完全な忠実度でローカルに再生できるようになり、YouTubeにアップロードすると自動的にトランスコードができます - 生のものも送信できますが、通常、の一部としてh.264へのトランスコードを行うことができます。それはHDRとSDR GamedVRもサポートしているので、HDRエクスペリエンスの完全な忠実さを楽しむことができますXbox Oneの人々を見ることができ、うまくいけば、これらのHDRビデオを見ることができます。」

この設計の目的は、Scorpioを2つの非常に具体的な目標（900pと1080pの両方のXbox Oneタイトルの両方がネイティブ4Kまで拡大する必要がある2つの非常に具体的な目標）に蒸留することができます。これは実際、Microsoftが昨年E3で約束したものの重要な拡張です。これは、Ultra HDで1080p Xbox Oneタイトルの実行を特に扱っています。スコープは現在広くなっています - 900p Xbox Oneタイトルをターゲットにすることで、PS4 1080pゲームのカードにも同じ種類のスケーラビリティがあることです。

「[ネイティブ1080p Xbox Oneゲーム]が、レンダリング解像度を超えて他の多くの方法で視覚体験を披露し、実際に改善するためにパフォーマンス全体が残っているロックソリッドフレームレートでフルネイティブ4Kで実行することを望んでいました」とアンドリューグーセンは私たちに言います。 「そして、私たちのもう1つの目標は、900pゲームをフルネイティブ4Kまで取得したいということでした。それは少し難しいです。900pゲームのいくつか - 初日ポート - 彼らは2160pで堅実に走る必要があります。コンソールの最適化の観点から伝統的に行うよりも多くの仕事になるためには、これらの900pゲームを2160pで取得したかったのです。」

これらは、Xboxチームが設計を策定する際に作成した計算ですが、開発者はフィット感に合わせてプロセッサのパワーを自由に使用できます。

「すべてのゲームは異なります。すべての開発者は異なります。開発者は、どのテクニックがゲームに最も影響を与えるかを最もよく知っています」とGoossen氏は説明します。 「私たちは、開発者が可能な他の多くのテクニックを選択することに完全に満足しています。チェッカーボードを非常に効率的にするためのハードウェアテクニックがあります。開発者がチェッカーボードに行きたい場合、それは素晴らしいことです。また、パートナーの束から聞いたことがあります。彼らは実際に、彼らがそれを行うのではなく、アップスケーリングでTAA [一時的な反拡張]を好むことを発見しています。

ただし、制限があります。 PlayStation 4 Proと同様に、Microsoftは、開発者がタイトルの同等のXbox Oneバージョンよりも同じフレームレートまたは優れたゲームを実行することを要求しています。また、コンソールに添付されている画面に関係なく、すべてのユーザーがすべてのパフォーマンスまたは高解像度のレンダリングモードを使用できる必要があります。

「彼らは彼らがサポートする複数のソリューションを持っていることを完全に許可されていますが、彼らはユーザーにどちらを尋ねなければなりません。彼らは良いデフォルトを持っている必要があり、彼らが別のものに切り替えたいかどうかユーザーに尋ねなければなりません」とGoossenは言います - もちろん、良いニュースですが、私たちの希望は、開発者がゲーム内でモード間を交換する機能を選択することです。

「Scorpioネイティブゲームで見られる実装のパノップの観点から、私はかなり範囲を期待しています。Xbox Oneで1080pで実行されているゲームを見ても驚かないでしょう...彼らはチェッカーボードを使用してから彼らは残りのGPUを使用して、視覚的な品質に本当に影響を与えます」とGoossenは続けます。

「今日720pで実行される非常に少数のタイトルについては、私たちの期待は、彼らがそれをしたい場合、ネイティブ4Kまでチェックすることができるということです。 CPUクロックへの31％のブーストと、D3D12オフロードとともに、900p30ではなく1080p60を提供する可能性があります。」

Microsoftは、Scorpioがハードウェアレベルで持っているチェッカーボードサポートの詳細についてあまり深く掘り下げませんでした。ただし、Andrew Goossenは、GPUは、完全なネイティブ解像度で深さとIDバッファーを効率的にレンダリングできる拡張機能をサポートしているのに対し、フルピクセルシェーダー効率でカラーバッファーを半分解像度でレンダリングできることを示しています。昨年のMark Cernyとの会話に基づいて、PlayStation 4 Proのデザインのいくつかの側面を備えたいくつかのアプローチがここにありますが、カスタマイズのバリエーションが期待できます。または、マイクロソフトは、公開される前に、お互いのデザインをまったく認識しています。

明らかなことは、両社が非常に異なる設計優先順位を持っていたことです。 Sonyは、4Kディスプレイに対処するためにハードウェアレベルでチェッカーボードのサポートを2倍にしました。事実上他に選択肢はなかったためです。2.3x計算ブーストとPS4のメモリ帯域幅への控えめなバンプのみが、トップ層のタイトルでネイティブ4Kを除外しました。 Microsoftの焦点は明らかに、より高いネイティブ解像度を追求することです - ストップはメモリ帯域幅と処理能力に引き出され、さらにコンテンツに応じてシリコンをカスタマイズすることに焦点が当てられています。

しかし、これらのカスタマイズは、ScorpioのGPUに相当する概念のベースラインレデオンを装備したPCを超えてScorpioをどの程度高めますか？プレゼンテーションの後、それはまさに、電子メールで行われたいくつかのフォローアップラウンドの最初のラウンドでマイクロソフトに尋ねたものです。

「私たちのパフォーマンス分析とモデリングは、最適化と調整の設計プロセス全体の中心的であったため、具体的な具体的な例はありません」とAndrew Goossenは言います。 「私たちはモデルを通じて検討したすべての変更を加えます。しかし、「Teraflopsからのより多く」という点で、ScorpioにはPCに比べて大きなパフォーマンスの利点があることを指摘します。

「Microsoftはシェーダーコンパイラを継続的に改善しました。PCで同じシェーダーをコンパイルすることに関連するXboxゲームコンテンツの大幅なパフォーマンスの勝利が見られます。 [最終的に] PCでは、「To the Metal」サポートと組み合わせて、開発者がすでに成熟していることを可能にする低レベルの分析と洞察を提供します開発者に馴染みのあるので、Scorpio GamesはGet Goの恩恵を受けるでしょう。」

Forza Motorsportでのこのアプローチの結果のいくつかの証拠をすでに見てきました - 私たちが見たデモは、ハイエンドNvidia GPUとPARで4Kで安定性を提供しましたが、これは早い段階で1つの不安定な比較ポイントにすぎません。 Scorpioでサードパーティのタイトルが表示されたら、開発者がプロ​​セッサのパワーを活用することがどれほど簡単かをより簡単に把握する必要があります。安心してください。時間が正しいときは、完全な分析でそこにいます。

Xbox HQでの独占ブリーフィングでProject Scorpioについて学びました。マイクロソフトは旅行と宿泊施設の代金を支払いました。