Xbox Series X 與 PlayStation 5 硬體規格公布了,不過從技術面看雖系出 AMD 同源但理念大為不同

2020.03.19 04:04PM
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雖然受到武漢肺炎增添了不確定性,不過 Sony 與微軟目前仍依照原定計畫陸續公布下一代遊戲機 PlayStation 5 與 Xbox Series X 的相關資訊,兩家廠商也不約而同的在因武漢肺炎停辦的 GDC 期間公布硬體架構,從目前公布的資訊,雖然兩者皆選用 AMD 的 Zen 2 CPU 搭配 RDNA 2 GPU 打造客製化晶片,除了未知的客製化程度外,從目前公布的資訊也可一探兩個品牌處理器架構師在設計理念上的不同點。

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▲現階段資訊整理出的規格表

PS5 與 Xbox Series X 皆使用相同世代的 AMD 客製化方案,可預期的是其硬體架構會與 AMD 未來的 APU 有相當程度的相似度,不過由於遊戲機生命週期的特殊性,兩者的 GPU 架構複雜度應該都會遠超 AMD 兩年內的 APU 方案才對,畢竟縱使是 PlayStation 4 與 Xbox One 的處理器,其 GPU 也有著當時中高階 GPU 的水準。

CPU 規劃概念大同小異,但仍有未解之謎

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▲ Zen 2 架構將 I/O 整合到 CPU 內,並透過 Infinity Fabric 相互溝通

AMD 的 Zen 2 架構是目前使用在桌上型 Ryzen 3000 CPU 與筆記型電腦的 Ryzen 4000 APU 的核心架構,兩者皆採用 8 核心設計,意味著其基礎運算性能可能很類似 Ryzen 7 等級的效能,不過除了時脈以外,無論是 Sony 或是微軟皆未著墨是否開啟超執行緒功能,這點可能會是目前比較未知的部分,但若以筆者的認知,考慮目前 PS4 與 Xbox One 都是採用未支援超執行緒的 8 核 Jaguar 核心,筆者認為若涉及遊戲對多核心 CPU 的支援,未啟用超執行緒的機會可能較高。

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▲第三代 Infinity Fabric 允許 CPU 與 GPU 進行雙向的直接溝通

AMD Zen 2 架構與前兩代 Zen 架構最大的差異是改變 CPU 核心模組相互溝通的模式,同時把 I/O 管理也整併到 CPU 區塊,並透過 Infinity Fabric 技術使 CPU 模組、 I/O 通道可藉 Infinity Fabric 進行高速溝通,另外對外由 PCIe 4.0 作為高速通道;然而由於兩款晶片都是將 GPU 進行整合,筆者認為比較值得關注的是兩家的核心內的 GPU 是以 PCIe 4.0 或是 Infinity Fabric 與 CPU 溝通,兩者在根本上會有相當大的差異, Infinity Fabric 可獲取更高的頻寬,同時在 AMD 規劃的第三代 Infinity Fabric 還允許 CPU 、 GPU 進行直接的溝通,較主控權仍由 CPU 端掌握的 PCIe 4.0 更能發揮整體性能。

另一個筆者比較疑惑的是 PS5 與 Xbox Series X 對於系統記憶體的分配方式,此次兩款遊戲機皆使用原為 GPU 開發的 GDDR6 作為 CPU 與 GPU 的共享記憶體,然而 PS5 則是 16GB 全部採用 480Gbps 頻寬的 GDDR6 ,而 Xbox Series X 則分為 10GB 560Gbps 搭配 6GB 320GBps 的兩組不同區塊,不禁令人好奇是否 PS5 的記憶體架構是允許 CPU 、 GPU 直接讀取、並且可動態調度 CPU 與 GPU 可使用的容量資源的設計、而 Xbox Series X 的兩組不同性能 RAM 是否也意味著 10GB 是分享給 GPU 、 6GB 則是提供給系統?但目前兩家都未針對這點做深入的介紹。

一種 RDNA 2 、少核高頻大戰多核低頻

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▲兩者皆採用 AMD 新一代的 RDNA 2 GPU 架構

雖然 PS5 與 Xbox Series X 都選擇使用 RDNA 2 ,但兩家的架構師的想法卻截然不同,不過在此之前先簡單介紹 RDNA 2 的特色,總之最右邊的一項就不需要特別留意,高性能又省電基本上台積電 7nm 製程加持佔很大一部分,真正重要的是最右邊的硬體加速光線追蹤與支援 VRS 技術這兩點;硬體式的光線追蹤雖然是 NVIDIA 率先導入 Turing 圖靈架構的設計,但很大的一部分是微軟也提出 DXR 的光線追蹤規範,而在市場默默耕耘至今,也有許多商用遊戲引擎可支援光線追蹤,故以遊戲機生命週期至少要八年左右,這個時間點採用支援硬體光線追蹤的 RDNA 2 是無可厚非;另一個是 VRS 功能,這項技術是藉由區分遊戲中物件的權重,並以不同精細度的渲染方式,降低非視覺重心的物件的運算,有助把運算力集中在重要物件與提升更新率。

而微軟 Xbox Series X 選擇了使用 52CU 、最高時脈 1.825GHz 的半客製 RDNA 2 ,整體性能達到 12TFLOPS,  PS5 則是以 36 CU 、最高時脈則高達 2.23GHz ,雖然 GPU 的 CU 比 Xbox Series X 少了許多,但藉由高時脈仍提供 10.3TFLOPS 的運算性能。兩邊的作法都有其道理存在,微軟選擇以傳統的多 CU 模式達到目標性能,對於當代 GPU 架構支援分散式運算是正確的,不過以結構的考量就是會使 GPU 區塊相當巨大;至於 Sony 的邏輯則是利用較少的 CU 減少 GPU 區塊面積,但以相對高出許多的時脈壓榨 CU 的性能,縱使以當前市場上 PC 的 GPU ,也鮮少將最高時脈設定超過 2GHz 的境界。

從性能呈現的結果來說,雖然看起來 Xbox Series X 的 GPU 有壓倒性的表現,但若以 CU 數量來看也顯見 RDNA 2 在高時脈設定下能夠提升相當高的性能;不過回到單純的遊戲體驗,筆者認為兩者在執行 FullHD 解析度的內容都相當綽綽有餘,性能體驗產生的畫質差距關鍵可能會在 4K 解析度比較明顯。

不過還是要提及,這邊兩者的時脈都是最高時脈,這也意味著能否維持性能的峰值還要看系統對晶片的散熱設計,目前可看到 Xbox Series X 選擇使用雙片主機板、被動散熱中框、均溫散熱片與大型靜音風扇結合垂直風道,不過還未公布外觀的 PS5 該如何解決 GPU 高時脈的發熱還是個謎,畢竟即便 CU 數量較少,若執行 3A 遊戲也勢必會動用到較高的運算力。

SmartShift 對晶片性能的影響

在 PS5 的技術解說直播, Mark Cerny 提到 PlayStation 5 的晶片將採用 AMD 的 SmartShift 技術,以動態方式使 CPU 、 GPU 能更有效率的分配運算資源與兼具節能,雖然微軟並未提到類似的技術,不過筆者認為 Xbox Series X 具備相同技術的可能性相當高; SmartShift 是 AMD 在宣布 Ryzen 4000 系列 APU 提到的新功能,基本上是藉由監測 CPU 、 GPU 的工作負載與架構區塊的發熱情況,進行 CPU 、 GPU 時脈的動態調整,使其維持在當前所需的最大運算力的同時,能夠兼顧發熱與耗電。

SmartShift 會產生甚麼影響?如果熟悉各種 PC 平台的遊戲性能測試項目的玩家,應該會發現在多數的現代化遊戲執行時,無論是 CPU 或是 GPU 都鮮少以全速執行,同時 CPU 在多數的時間點都不太需要使用運算力,往往在遊戲中佔用 CPU 資源都是由於自硬碟讀取資料的傳輸需求,這部分微軟則是採用 Xbox Velocity 架構技術當中的 DirectStorage API 設法減少硬碟資料傳輸時的 CPU 占用;總之以一顆需要共享總功耗、發熱的 SoC 的立場, SmartShift 能夠藉由分析當前運算內容對 CPU 、 GPU 的佔比,動態調整 CPU 與 GPU 的時脈,會比起現行遊戲主機的資源分配更為合理。

NVMe SSD 都是重點,不過 PS5 顯然更重視傳輸性能

▲ SSD 與 HDD 性能差異

PS5 與 Xbox Series X 不約而同的把硬體介紹的重點放在 NVMe SSD 上,畢竟 SSD 目前的價格已經越來越親民,且相較上一世代主機的 HDD 無論是性能、資料存取的即時性都有飛躍的提升;不過 Xbox Series X 的 SSD 基礎僅有 2.4GBps 的性能,若對照目前的 PCIe 4.0 的 SSD 控制器,幾乎就是入門等級水準,因為這等於只有比高階的 PCIe 3.0 略高,即便加入硬體壓縮模式,其 4.8GBps 仍低於 PS5 的客製化架構 SSD 原生的 5GBps 。

雖然比起目前 SATA3 介面約 500MBps 的性能,兩者的 NVMe SSD 無論如何傳輸性能都有爆炸性的提高,但除了資料安裝、讀取與喚醒的差異以外,如果從微軟此次介紹的 Xbox Velocity 當中的 Sampler Feedback Streaming /SFS 技術原理,若 Sony 也採用類似的技術,那 Xbox Series X 的 SSD 性能僅有 PS5 一半的劣勢就會變得明顯。

微軟的 SFS 技術可說是把當年 RAM Disk 概念反轉的邏輯,當年 RAM Disk 的背景是由於當時的系統無法徹底使用當時的 RAM ,故興起將 RAM 的區塊切割一塊用於安裝系統,藉由 RAM 的高速存取提升系統開機或是內容存取,不過隨著後來的作業系統可善用龐大的 RAM 之後, RAM Disk 就漸漸式微;而 SFS 則是把原本應該儲存在 RAM 區塊中的遊戲材質的一部分存放到 SSD 中,這是由於當前的 NVMe SSD 雖未達到 GDDR6 的性能,但作為存放非主要材質的暫存也相當充裕,不過這也表示性能越高的 SSD 也可發揮更好的效果。

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▲可相容市售 M.2 PCIe SSD 是 PS5 的賣點,但消費者能否選擇合宜的產品是隱憂

另一個值得一提的是兩者對於儲存擴充的概念的差異,筆者認為, Sony 與微軟都不約而同在 SSD 的資料技術使用壓縮技術,而這項技術應該是針對 SSD 特性開發,也讓專為這兩個平台開發的遊戲都會採用材質壓縮技術,導致無法透過 USB 介面的外接硬碟安裝新式遊戲(當然也有存取速度會嚴重影響體驗的考量), PS5 採用業界公規的 M.2 介面 SSD 作為擴充,微軟則是使用與 Seagate 共同開發、專為 Xbox Series X 設計的 Storage Expansion Card 。

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▲ Storage Expansion Card 只有單一規格,可能價格較貴但也不易出錯

如果以筆者個人的立場,勢必會較支持採用公規 M.2 SSD 的 PS5 ,畢竟專用且僅有單一供應商的 Storage Expansion Card 可能會比一般的 M.2 SSD 昂貴許多,不過昨天有朋友點醒筆者一點:不要忘了一般消費者對於技術規格的陌生程度;以市場上能買到的 M.2 型態的 SSD ,基本就已經有 PCIe 介面與 SATA 介面,而 PS5 需要搭配的是 PCIe 3.0 或是 PCIe 4.0 ,這點就可能造成不懂規格的消費者的混淆,其次若購買 PCIe 3.0 介面,初期的產品與目前新一代的產品性能落差極大,若是買到初期的 PCIe 3.0 SSD ,恐怕使用體驗也不會太好。

雖然 Xbox Series X 的 Storage Expansion Card 採用專屬規格,但畢竟只有單一選擇,也不用擔心消費者購買到錯誤規格,或是過多的選擇買到雖然規格相符但體驗不佳的產品。

小結

目前為主由於兩款主機都還未公布底牌,光從硬體角度還很難看得出孰優孰劣,首發遊戲陣容與後續開發商的支持程度將會是影響消費者意向的重點,從目前的情況來看, PS5 的優勢就是可承襲目前較占優勢的 PS4 的內容資源與氣勢,而 Xbox Series X 則有較高的帳面規格性能與近似 Windows 10 的遊戲開發環境,到今年末兩款主機正式推出前,這場新世代遊戲機戰爭還有許多值得觀察的地方。

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