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[Xbox One] 深入解析 Xbox 全新家用主機 Project Scorpio「天蠍計畫」(下)

Kanton ( 特約編輯 )

文章日期: 2017-4-7 18:48

文章人氣: 1593

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破解天蠍:記憶體、處理器以及音響效果

Project Scorpio「天蠍計畫」的測試結果說明了天蠍引擎設計的成功,但能讓一台主機完美運作,需要的不只是核心組件的強大性能,其他部件同樣不可或缺。要讓 GPU 能夠輸出 UHD 畫面需要相當大的頻寬。


矽谷資深工程師 Nick Baker 表示:「為了達到 4K,材質與渲染物件不斷增大,而這說明了幾件事-需要更多空間、更大的頻寬。但問題是:多少才夠?我們不希望在打造出這款 GPU 後,面臨記憶體頻寬不足的問題。所以,透過 Andrew Goossen 的分析,我們得以比較各種頻寬大小,得到的結論是需要 300GB/s 以上的記憶體頻寬,最終選擇 326GB/s。在天蠍引擎中我們使用 384 位元 GDDR5 介面,總共 12 條 32 位元的通道。」


天蠍計畫所使用的 GDDR5 模組與 384 位元 GDDR5 介面結合,模組本身的時脈為 6.8GHz,最終時脈數據是 326GB/s;不僅如此,天蠍計畫也獲得 AMD 的 DCC 系統加持(用於減少數據傳輸時所需的頻寬,目前 Xbox One 並無 DCC 系統)。天蠍計畫配備 12GB 的記憶體,其中遊戲開發者可用的大小為 8GB,系統運行則使用其餘的 4GB,與 Xbox One 相比多了 1GB 來以原生 4K 呈現主畫面。整體來說,以 4K 運行遊戲大約需要 60% 的記憶體。硬體方面則是搭載 2.5 吋 1TB HDD,並將記憶體頻寬提升了 50%。


如微軟先前所公布的情報,天蠍計畫確實不會使用 eSRAM,Nick Baker 表示:「我們現在採用的記憶體可以提供比 eSRAM 更大的頻寬,所以只要使用我們的虛擬記憶體繪製出 32MB 的位址空間,讓遊戲認為它們使用的是 GDDR5 裡的 32MB 記憶體 。延遲雖然會高一些,但 GPU 整體頻寬與性能提升後,基本上不會造成任何問題。」


在處理器方面,先前各方預測天蠍計畫將使用 AMD 的 Ryzen 技術,但可能性不高的原因是生產時間無法配合,微軟也在去年表示新主機會使用 8 核心處理器。所有線索都指向使用 Jaguar,而且會是 Xbox One Jaguar 核心的進階版。


Baker 說明:「8 核心,雙叢集設計,共 4MB 的 L2 快取記憶體。這款 CPU 是專門為天蠍計畫所打造的,我們的目標是保持 100% 的 Xbox One 與 Xbox One S 向下相容性,同時也能提升遊戲表現。」天蠍計畫的 x86 處理器與 Xbox One 的相比,速度提升了 31%,並進一步調整其性能來減少延遲,保持處理器的最大發揮。


天蠍計畫移植了 Xbox One 的部分系統,同時也加入了全新功能。天蠍計畫的音效處理器完全採用與 Xbox One 相同的設計,並加入了環繞音效-在現有的 7.1 聲道中加入了新的要素:「高度」。天蠍計畫預定會使用 Dolby Atmos 音響系統,搭配 HRTF(頭部反應傳送函數)的音效處理方法。


但或許最令人期待的部分是 GPU 的命令處理器。Goossen 表示:「我們把 Direct3D 12 的位置挪到 GPU 的命令處理器上,而這代表著來自遊戲的所有 API 呼叫都會非常自然的進入 GPU 命令處理器的邏輯運算,讓遊戲與 GPU 之間的流通效率大幅提升。」


「Draw call」-也就是指示 GPU 該提取何種物件資訊-絕對可以說是 CPU 的主要任務之一,Draw call 會佔去 CPU 相當多的資源,因為它可能會需要 CPU 發出上千條命令。但天蠍計畫得益於硬體分流機制,一個 Draw call 可能只需要 11 條指示就可以完成,有時甚至更少。


「對我們以及在 Xbox 使用 Direct3D 12 的遊戲開發者而言,這是非常有利的。開發廠商告訴我們,他們最多可以把 CPU 的工作量減少一半。」Goossen 表示。這裡必須再次強調,天蠍計畫並未使用 Ryzen 核心,但 Xbox 團隊並不是特別擔心這部分。Gammill 說:「在 CPU 方面,使用客製化的處理器我們仍能達到設定的目標。因為我們終究是要推出一項產品,必須符合消費者願意購買的價格。所以重點是如何在兩者之間取得平衡。」


天蠍引擎晶片的晶方尺寸為 360mm2,共有 700 萬個電晶體。微軟所展示的設計圖中,4 個渲染引擎置於晶片左側,佔去了大部分的面積。GPU 的右側是客製化 CPU 核心的兩個叢集,記憶體介面圍繞於晶片四周。此外,AMD Media Block 使用 HEVC codec 將 Xbox GameDVR 升級為4K 60fps 規格,代表玩家將可錄製 HDR 遊戲短片,另外還有回溯螢幕截圖的功能,玩家可以在錄製的短片中擷取畫面,而不需要在遊戲中抓準時機按下擷取畫面的按紐。


1080p 降取樣是相當重要的部分。例如 PS4 Pro 玩家可以使用所有種類的模式,即使他們的顯示器的解析度都不相同。在天蠍計畫方面,4K 玩家可以使用無 UI 的展示模式,而 UHD 渲染也經過超級取樣後傳輸至 1080p 顯示器。微軟表示 1080p 超級取樣會在系統層以較高的解析度模式進行,而不是讓開發者來進行修改。

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打造天蠍計畫:設計版型外觀與冷卻系統

Xbox 硬體設計總經理 Leo Del Castillo 表示:「主機必須在簡潔設計與整體效能之間取得平衡。其中一項任務是把每塊晶片接收的電流校正到非常精確,藉以提升系統的效能,並減少能量的耗損-也就是減少機體產生的熱。」


每一塊由台積電生產的天蠍引擎處理器都會有一套專屬的檔案,而不是標準化地套用相同的方案-這是微軟一項以其工程師命名的,稱為「Hovis method」的技術。但盡管如此,天蠍計畫的強大性能仍然讓散熱成為一項主要問題。


天蠍計畫的散熱系統採用均熱片式散熱裝置,底盤使用銅製殼體,內部注入離子化的蒸餾水並抽真空,水會吸收機體產生的熱並氣化,蒸氣由高熱點轉移至熱導版上;裝置的效率非常好,但這些熱量仍須排出機體之外,而 Xbox 目前使用的軸流式風扇無法有效散熱。


「我們重新訂製了新的離心式風扇來解決這個問題。」Del Castillo 表示:「看起來幾乎就像是汽車的進氣冷卻器,整個風扇系統都是為了天蠍計畫而訂製的。」


在 Del Castillo 的簡報途中,他基本上在採訪記者的眼前組裝出一套開發前期的天蠍計畫模型-整體設計非常的簡潔優雅,硬碟下方安裝的避震器減少了硬碟產生問題的機率,並確保了數據處理的效率;另外還有 UHD 藍光光碟機,看起來與 Xbox One S 的非常類似;內部電源供應器為 245W 通用電源供應器,Del Castillo 表示這可能是 Xbox 史上效率最好的一個。機體外部接口與 Xbox One S 相同,Kinect 仍須使用 USB 轉接器才可使用,但保留了 HDMI 接口。最後一項外觀設計的關鍵會在 E3 2017 公開。

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天蠍計畫的均熱片式散熱裝置

測試《極限競速 6》:輕鬆達到 4K60FPS

為了實際展示其性能,微軟使用 Forza 6《極限競速 6》為測試遊戲,保證 900p 或 1080p 以上的 Xbox One 遊戲都能在天蠍計畫上以 4K 與固定 60fps 運行。在展示期間,微軟在畫面中置入了達到數量上限的車輛,特效與 AI 全開來進行高壓測試,GPU 使用量為 66.19%,代表了其仍有餘裕強化其他部分的視覺效果;而事實上,若採用 PC 版的最高級設定,GPU 使用量頂多也只到 88%。


換句話說,有了天蠍計畫,遊戲開發者無須再苦惱如何努力達到特定的遊戲畫面呈現-例如 4K 60fps,而有餘力進行更多提升畫面品質的工作。

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《極限競速 6》4K 截圖大檔

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