索尼系統(tǒng)架構(gòu)師Mark Cerny今日公開了PlayStation 5的規(guī)格，深入介紹了新的系統(tǒng)架構(gòu)。外媒Digital Foundry提前觀看了這次演講并與Mark Cerny進(jìn)行了更深入的交談，并了解到了設(shè)計(jì)背后的理念。
下面這段約53分鐘的演講原本這些內(nèi)容是應(yīng)該在GDC游戲開發(fā)者大會(huì)上發(fā)表的，不過(guò)由于疫情原因而導(dǎo)致本次活動(dòng)取消了。在這段演講中Mark Cerny主要介紹了PS5的固態(tài)硬盤、GPU、向下兼容PS4游戲、3D音頻的特性，基本都是技術(shù)方面的內(nèi)容，感興趣的朋友可以看看。
PS5的硬件規(guī)格
PlayStation 5使用了AMD的Zen 2 CPU技術(shù)，包含8個(gè)物理核心和16線程，這些都是以前公布過(guò)的信息?，F(xiàn)在我們知道了它們的時(shí)鐘速度——PS5的CPU可以提供最高3.5GHz的頻率。Mark Cerny將這個(gè)頻率描述為“上限”，他表示這是通常情況下的速度，但在某些條件下它的運(yùn)行速度可能會(huì)更慢。
索尼的定制版AMD RDNA 2 GPU具有36個(gè)運(yùn)算單元（CU），運(yùn)行頻率上限為2.23GHz，可有效提供 10.28TFLOPs 的峰值計(jì)算性能。雖然2.23 GHz是極限，但也是通常的速度，它可能會(huì)根據(jù)所需的工作負(fù)載而降低頻率。PS5使用了一個(gè)boost clock。RDNA 2運(yùn)算單元的晶體管密度比PS4的運(yùn)算單元高62％，這意味著就晶體管數(shù)量而言，PS5的36個(gè)運(yùn)算單元陣列相當(dāng)于58個(gè)PS4的運(yùn)算單元。 而且這些新的運(yùn)算單元運(yùn)行的頻率是以前的兩倍。
以下是PS5的關(guān)鍵參數(shù)：
·CPU：8x Zen 2 Cores at 3.5GHz (可變頻率)
·GPU：10.28 TFLOPs, 36 CUs at 2.23GHz (可變頻率)
·內(nèi)存：16GB GDDR6/256-bit
·內(nèi)存帶寬：448GB/s
·存儲(chǔ)：定制的 825GB 固態(tài)硬盤
·IO吞吐量：5.5GB/s (Raw), Typical 8-9GB/s (Compressed)
·存儲(chǔ)介質(zhì)：4K UHD Blu-ray Drive
PS5和Xbox Series X的硬件參數(shù)對(duì)比：
PS5的boost功能
認(rèn)清PS5的可變頻率是一件重要的事，它被稱為“boost”，但它與手機(jī)或PC的CPU/GPU類似的技術(shù)不同，在手機(jī)或PC中，峰值性能和散熱空間直接相關(guān)，因此在更高的溫度環(huán)境下游戲幀率可能會(huì)降低，有時(shí)會(huì)變得非常低。這與家用主機(jī)的期望相矛盾，因?yàn)橹鳈C(jī)平臺(tái)期望所有的機(jī)器都能提供完全相同的性能。因此，PS5沒(méi)有使用這種方式來(lái)提高時(shí)鐘頻率。據(jù)索尼稱，無(wú)論環(huán)境溫度如何，所有PS5主機(jī)在任何環(huán)境下均會(huì)以相同的性能水平處理相同的工作負(fù)載。
那么在這種情況下boost是如何工作的？簡(jiǎn)而言之，PS5的性能預(yù)算與散熱裝置的散熱極限有關(guān)。Mark Cerny說(shuō)：“這是一個(gè)完全不同的例子，我們不是以恒定的頻率運(yùn)行和讓性能根據(jù)工作負(fù)載而變化，而是以基本上恒定的性能運(yùn)行并讓頻率根據(jù)工作負(fù)載而變化?！?/p>
一個(gè)內(nèi)部監(jiān)視器會(huì)分析CPU和GPU上的工作負(fù)載并調(diào)整頻率以匹配。Cerny在演講中解釋：“我們不是看硅芯片的實(shí)際溫度，而是看GPU和CPU所執(zhí)行的活動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)置頻率——這使一切都具有確定性和可重復(fù)性。在這個(gè)過(guò)程中，我們還使用了AMD的SmartShift技術(shù)，并將任何未使用的性能從CPU發(fā)送到GPU，這樣它就可以擠出更多的像素了。”
這一設(shè)計(jì)決策與微軟的Xbox Series X完全不同，這可能意味著開發(fā)人員將需要注意可能影響時(shí)鐘和降低性能的潛在功耗峰值。但對(duì)于索尼而言，這意味著PS5可以達(dá)到的GPU頻率要遠(yuǎn)比我們預(yù)期的高，這些時(shí)鐘也高于PC領(lǐng)域現(xiàn)有AMD部件中的時(shí)鐘。這也意味著它可以從36個(gè)可用的RDNA 2計(jì)算單元中提取更多性能。
Mark Cerny不希望與過(guò)去、現(xiàn)在或?qū)?lái)的任何硬件進(jìn)行比較，而是提出了一種有趣的假設(shè)方案—— 一個(gè)36個(gè)運(yùn)算單元的圖形核心以1GHz運(yùn)行，與一個(gè)48個(gè)運(yùn)算單元其中部分以750MHz運(yùn)行。兩者均提供了4.6TF的計(jì)算性能，但Cerny說(shuō)游戲體驗(yàn)將會(huì)有所不同。他解釋說(shuō)：“性能明顯不同，因?yàn)?#39;teraflops'被定義為ALU的計(jì)算能力。這只是GPU的一部分，還有很多其它的單元——當(dāng)GPU頻率更高時(shí)，這些其它單元都運(yùn)行得更快。頻率如果提高了33％，光柵化的速度會(huì)快33％，命令緩沖區(qū)的處理速度會(huì)大大提高，L1和L2緩存也會(huì)有高得多的帶寬，以此類推。唯一的缺點(diǎn)是系統(tǒng)內(nèi)存在周期方面相差33％，但其帶來(lái)的好處遠(yuǎn)不止于此。正如我的一個(gè)朋友所說(shuō)，水漲船高。此外，與完全使用48個(gè)CU（運(yùn)算單元）相比，完全并行使用36個(gè)CU要容易得多，當(dāng)三角形較小時(shí)，要用有用的工作來(lái)填充所有這些CU要困難得多?！?/p>
索尼的想法是這樣的：較小的GPU可以成為更靈活、更敏捷的GPU，其推論是PS5的圖形核心應(yīng)該能夠提供比你所預(yù)期的更高的性能，而TFLOPs的數(shù)字并不能準(zhǔn)確地包含GPU的所有能力。開發(fā)人員在SoC (system on chip) 的性能限制下工作，他們的工作負(fù)載會(huì)影響運(yùn)行中的頻率，但影響時(shí)鐘速度的是這些因素，而不是環(huán)境溫度。Cerny承認(rèn)上一代硬件的散熱解決方案可能不是最佳選擇，盡管CPU和GPU的時(shí)鐘頻率很高，但以固定的性能預(yù)算下運(yùn)行的概念能夠使散熱的概念更易于處理。
Cerny在演講中說(shuō)：“從某種意義上講，這將成為一個(gè)更簡(jiǎn)單的問(wèn)題，因?yàn)椴辉儆形粗獢?shù)，無(wú)需猜測(cè)最壞情況下的游戲可能具有的功耗。至于散熱解決方案的細(xì)節(jié)，我們今后在設(shè)備拆解的時(shí)候再談。我想你會(huì)對(duì)工程團(tuán)隊(duì)的想法而感到滿意。”
PlayStation 5圖形核心
當(dāng)處理器達(dá)到其功率極限并且組件降頻時(shí)會(huì)發(fā)生什么？Mark Cerny在演講中表示CPU和GPU不一定總是分別在3.5GHz和2.23GHz上運(yùn)行。他說(shuō)：“當(dāng)最壞情況的出現(xiàn)時(shí)，它將以較低的時(shí)鐘速度運(yùn)行，但是不會(huì)降低太多，將性能降低10％只需要降低幾個(gè)百分點(diǎn)的頻率，所以我認(rèn)為任何降頻都是相當(dāng)小的。綜合考慮各方面因素，向變頻方式的轉(zhuǎn)變將為PlayStation玩家?guī)?lái)顯著的收益?！?/p>
在功能層面，Cerny揭示了一些功能，這些功能建議與其他即將面世的基于RDNA 2技術(shù)的AMD和AMD衍生產(chǎn)品持平。一個(gè)被稱為“幾何引擎”的新模塊為開發(fā)人員提供了對(duì)三角形和其他圖元的無(wú)與倫比的控制，并且很容易優(yōu)化幾何剔除。功能擴(kuò)展到“原始著色器”的創(chuàng)建，這聽起來(lái)與Nvidia Turing和即將推出的RDNA 2 GPU中的網(wǎng)格著色器非常相似。
盡管Cerny并未提及機(jī)器學(xué)習(xí)支持或可變速率著色等技術(shù)，但PS5確實(shí)通過(guò)其Intersection Engine提供了硬件加速的光線跟蹤，Cerny稱其“基于與AMD即將推出的PC GPU相同的策略”。外界曾猜測(cè)會(huì)有一個(gè)外部模塊，但事實(shí)并非如此——像下一代Navi和Xbox Series X一樣，光線追蹤硬件是內(nèi)置在著色器中并完全集成的。與RDNA實(shí)現(xiàn)類似，PS5將可以實(shí)現(xiàn)我們?cè)赑C領(lǐng)域看到的相同光追——反射、環(huán)境光遮擋、陰影和全局照明都是很好的選擇。
Cerny說(shuō)：“我們能走多遠(yuǎn)呢？我開始變得相當(dāng)樂(lè)觀了。我已經(jīng)看到過(guò)一款PS5游戲，它可以在復(fù)雜的動(dòng)畫場(chǎng)景中成功地使用基于光線跟蹤的反射，而且成本也很低?！?/p>
SSD如何實(shí)現(xiàn)次世代夢(mèng)想
SoC芯片的性質(zhì)及其功能很重要，然而，從演講中可以清楚地看出Mark Cerny有著非常不同的優(yōu)先級(jí)，這里有兩個(gè)非常具體的組件：SSD（固態(tài)硬盤）和一個(gè)稱為“Tempest引擎”的出色的3D音頻硬件。
索尼在固態(tài)存儲(chǔ)領(lǐng)域投入了雙倍下注，每隔幾年Mark Cerny都會(huì)環(huán)游世界與數(shù)十位開發(fā)人員和發(fā)行商會(huì)面，而集成SSD是次世代的首要需求。索尼讓PS5的存儲(chǔ)性能比PS4快了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，2GB的數(shù)據(jù)可以在四分之一秒內(nèi)加載，這意味著從理論上講PS5的整個(gè)16GB內(nèi)存容量可以在兩秒鐘內(nèi)被填滿 。Cerny說(shuō)：“作為游戲創(chuàng)造者，我們從試圖分散玩家快速傳送時(shí)要花費(fèi)多久時(shí)間的注意力（比如蜘蛛俠坐地鐵），到現(xiàn)在這么快以至于我們甚至不得不放慢這種過(guò)渡?！?/p>
要使性能提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，就需要大量定制硬件才能將SSD無(wú)縫連接到主處理器。定制閃存通過(guò)12通道接口與SSD模塊結(jié)合，可以提供所需的5.5GB/s的性能以及總共825GB的存儲(chǔ)空間。這聽起來(lái)可能是一個(gè)奇怪的數(shù)字，因?yàn)橄M(fèi)者的SSD通常是512GB、1TB或更大，但索尼的解決方案是專有的，825GB是12通道接口的最佳選擇，而且還有其他優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)而言之，索尼擁有更多的自由來(lái)調(diào)整其設(shè)計(jì)：“我們可以研究可用的NAND閃存部件，然后設(shè)計(jì)出性價(jià)比最高的產(chǎn)品。有人可能認(rèn)為打造一個(gè)M.2硬盤沒(méi)有這種自由，如果它不是那些標(biāo)準(zhǔn)尺寸之一，將很難營(yíng)銷和銷售。”
控制器本身通過(guò)四通道PCI Express 4.0互連連接到主處理器，并包含了許多旨在消除SSD瓶頸的定制硬件模塊。該系統(tǒng)具有六個(gè)優(yōu)先級(jí)，這意味著開發(fā)人員可以根據(jù)游戲的需求來(lái)考慮數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)。該控制器支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZLIB的硬件解壓縮，也支持RAD Game Tools的新Kraken格式，該格式可額外提供10％的壓縮效率。那么底線呢？5.5GB的帶寬相當(dāng)于每秒輸入系統(tǒng)的有效帶寬為8G或9G。Cerny透露：“順便說(shuō)一句，就性能而言，定制的解壓縮器相當(dāng)于9個(gè)我們的Zen 2核心，這就是用傳統(tǒng)CPU對(duì)Kraken流進(jìn)行解壓縮的過(guò)程?！?/p>
一個(gè)專用的DMA控制器（在性能上相當(dāng)于一個(gè)或兩個(gè)Zen 2核心）將數(shù)據(jù)定向到所需的位置，而兩個(gè)專用的定制處理器則處理I/O和內(nèi)存映射。最重要的是，一致性引擎像管家一樣運(yùn)作。Cerny在演講中解釋說(shuō)：“一致性在很多地方都出現(xiàn)了，可能最大的一致性問(wèn)題是GPU緩存中的陳舊數(shù)據(jù)。在讀取SSD時(shí)刷新所有GPU緩存是沒(méi)有吸引力的選擇，它可能會(huì)損害GPU性能，因此我們采用了一種更溫和的處理方式，在這里，一致性引擎會(huì)將覆蓋的地址范圍通知給GPU，而數(shù)十個(gè)GPU緩存中的定制清理程序會(huì)精確地逐出這些地址范圍?！?/p>
所有這些都交付給開發(fā)人員而無(wú)需他們做任何事情。定制硅甚至可以解決解壓?jiǎn)栴}， Cerny解釋說(shuō)：“你只需指出要從原始的未壓縮文件中讀取哪些數(shù)據(jù)，以及將數(shù)據(jù)放置在什么位置，然后整個(gè)加載過(guò)程就會(huì)在你不可見的情況下以非?？斓乃俣冗M(jìn)行?！?/p>
△PS5內(nèi)置的固態(tài)硬盤與PS4機(jī)械硬盤的速度對(duì)比
索尼如何應(yīng)對(duì)擴(kuò)展存儲(chǔ)
自Mark Cerny首次揭示SSD的特性以來(lái)，人們就一直在問(wèn)擴(kuò)展存儲(chǔ)。當(dāng)你已經(jīng)填滿了分配給你的825GB存儲(chǔ)空間時(shí)會(huì)發(fā)生什么？
首先，PS5支持向下兼容——你可以通過(guò)從常規(guī)的外部存儲(chǔ)設(shè)備運(yùn)行老游戲來(lái)節(jié)省空間，它不會(huì)像從內(nèi)部SSD啟動(dòng)那么快，但這將為需要的次世代游戲騰出空間。一旦達(dá)到了限制，我們覺(jué)得游戲可以備份到標(biāo)準(zhǔn)的硬盤上，但是有一個(gè)選項(xiàng)可以增加SSD的存儲(chǔ)空間——NVMe PC硬盤可以在PS5上使用。唯一的問(wèn)題是PC技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于PS5，更新的基于PCIe 4.0的硬盤需要一些時(shí)間才能上市，它的帶寬要求符合索尼的規(guī)格。
然后，索尼還需要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證以確保它們可以正常工作。 PS5將擁有一個(gè)NVMe插槽，但硬盤的兼容性至關(guān)重要，這不只是帶寬問(wèn)題。 PS5的規(guī)格為開發(fā)人員提供了六個(gè)優(yōu)先級(jí)，而NVMe規(guī)格只有兩個(gè)。
Mark Cerny說(shuō)：“我們肯定可以只將兩個(gè)優(yōu)先級(jí)連接到一個(gè)硬盤上，但是我們的定制I/O單元必須仲裁額外的優(yōu)先級(jí)——而不是M.2硬盤的閃存控制器——因此M.2硬盤需要一點(diǎn)額外的速度來(lái)處理由不同方法引起的問(wèn)題。這個(gè)商用硬盤還需要在物理上適應(yīng)我們?cè)赑S5中為M.2硬盤所打造的托架。與內(nèi)置硬盤不同，不幸的是M.2硬盤的高度沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，并且某些M.2硬盤具有巨大的散熱器，其中一些甚至擁有自己的風(fēng)扇?！?/p>
雖然內(nèi)部SSD解決方案是專有的并且有著非標(biāo)準(zhǔn)的容量，但這不會(huì)影響兼容的M.2硬盤的存儲(chǔ)容量，如果你購(gòu)買了1TB或2TB的硬盤，你就會(huì)擁有這么多存儲(chǔ)空間。Cerny說(shuō)：“ M.2硬盤將擁有自己的閃存控制器，并具有與其NAND閃存晶粒自己的（不可見的）內(nèi)部接口。我們不知道或不需要知道該內(nèi)部接口的詳細(xì)信息，或者通過(guò)接口連接的NAND閃存的大小和類型。重要的是M.2硬盤的外部接口（例如第四代PCIe的四個(gè)通道，這樣它就可以連接到我們的閃存控制器）以及它可以通過(guò)該接口支持的讀取帶寬?！?/p>
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，擴(kuò)展存儲(chǔ)是可能的，你不需要索尼的專用硬盤來(lái)獲得你想要的額外空間。但是至少在短期內(nèi)的建議很簡(jiǎn)單：如果你打算在PlayStation 5上使用NVMe硬盤，請(qǐng)不要購(gòu)買沒(méi)有經(jīng)過(guò)索尼認(rèn)證的NVMe硬盤。還要記住，超高帶寬的PCIe 4.0 NVMe硬盤可能非常昂貴，至少在短期內(nèi)，畢竟這是尖端技術(shù)。但是很顯然，隨著次世代的發(fā)展前景將顯著改善，而價(jià)格則會(huì)隨著時(shí)間的推移而明顯下降。
△PS5將會(huì)向下兼容PS4游戲。在PS5上市時(shí)，PS4上最常被游玩的前100款熱門游戲基本上都將立即支持向下兼容。
通過(guò)Tempest Engine實(shí)現(xiàn)前所未有的3D音頻保真度
在與Mark Cerny交談時(shí)，他感嘆自己在與開發(fā)商和發(fā)行商的定期訪問(wèn)中幾乎見不到音頻工程師，而為了提供次世代的音頻體驗(yàn)，索尼自己不得不采取行動(dòng)了。音頻本身在當(dāng)前世代的服務(wù)水平一直很差，通常只能得到Jaguar核心的一小部分來(lái)提供7.1環(huán)繞聲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PS3時(shí)代所享受的音頻。實(shí)際上，Cerny指出PSVR是當(dāng)代環(huán)繞聲的標(biāo)準(zhǔn)持有者，因?yàn)樗哂锌芍С帧?50個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的音源”的定制音頻單元。而PS5的新Tempest Engine支持?jǐn)?shù)百個(gè)，并且質(zhì)量更高。
在當(dāng)今的游戲中下雨是一種簡(jiǎn)單的聲音。借助Tempest Engine，PlayStation 5旨在通過(guò)模擬各個(gè)雨滴撞擊到你周圍地面的聲音，營(yíng)造出真正處于淋浴中間的感覺(jué)。這更多的是能夠精確跟蹤物體的位置，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的科學(xué)技術(shù)是令人驚訝的，因?yàn)檫@必須考慮到你的耳朵的形狀，甚至是頭部的大小和形狀。
為了精確模擬定位，索尼需要生成一個(gè)表，這稱為“與頭部相關(guān)的傳遞函數(shù)”（Head-related Transfer Function - HRTF）。可以通過(guò)處理該表中的音景來(lái)模擬如何感知音頻，可以說(shuō)這是一項(xiàng)計(jì)算量巨大的任務(wù)。 Tempest Engine實(shí)際上是經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)的AMD GPU計(jì)算單元，剝離了其緩存并僅依靠DMA傳輸，就像PS3 SPU（協(xié)處理單元）一樣。反過(guò)來(lái)說(shuō)，這為充分利用運(yùn)算單元的矢量單位打開了大門。
Mark Cerny在演講中透露：“最終我們得到的單元，其SIMD功率和帶寬與PS4中所有八個(gè)Jaguar核心的總和大致相同。如果我們使用與PSVR相同的算法，那么對(duì)于5000個(gè)聲源來(lái)說(shuō)都足夠了——但是當(dāng)然我們要使用更復(fù)雜的算法，而不需要像這么多的聲音?！?/p>
簡(jiǎn)而言之，“Tempest Engine”開啟了游戲音頻真正的革新之門，盡管這個(gè)系統(tǒng)在達(dá)到最大潛力方面還面臨著挑戰(zhàn)，但有一件事你不需要擔(dān)心，那就是購(gòu)買高端音頻硬件來(lái)享受這種體驗(yàn)。在短期內(nèi)簡(jiǎn)單的解決方案是使用耳機(jī)：兩個(gè)耳朵和兩個(gè)揚(yáng)聲器就是你所需要的全部，剩下的交給Tempest引擎來(lái)處理。展望未來(lái)，索尼對(duì)電視揚(yáng)聲器和SoundBar的虛擬環(huán)繞聲帶來(lái)的出色效果感到樂(lè)觀，多揚(yáng)聲器系統(tǒng)也將獲得支持。
然而環(huán)繞立體聲音響系統(tǒng)的野心是如此之大，以至于我們可能在一段時(shí)間內(nèi)看不到它的潛力得到充分發(fā)揮。通過(guò)HRTF系統(tǒng)處理音頻的挑戰(zhàn)在于每個(gè)人的頭和耳朵都是不同的，索尼為大約一百個(gè)人設(shè)計(jì)了HRTF并提供了發(fā)售時(shí)的五個(gè)預(yù)設(shè)方案。配置工具將確保為你選擇最佳的方案。但是很顯然，能夠輸入你自己的HRTF才能呈現(xiàn)出最終的體驗(yàn)，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)正在研究當(dāng)中。
Mark Cerny說(shuō)：“也許你可以向我們發(fā)送你的耳朵照片，然后我們將使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)選擇庫(kù)中最接近的HRTF。也許你會(huì)向我們發(fā)送你的耳朵和頭部的視頻，我們將會(huì)制作出3D模型然后合成HRTF。也許你會(huì)玩一個(gè)音頻游戲來(lái)調(diào)整HRTF，我們會(huì)巧妙地在你玩游戲時(shí)進(jìn)行更改，并在HRTF上給你最高的分?jǐn)?shù)，這意味著它最適合你。這是我們?cè)谖磥?lái)幾年內(nèi)將共同經(jīng)歷的旅程。最終，我們致力于使每個(gè)人都能體驗(yàn)到更高層次的現(xiàn)實(shí)主義?！?/p>
以上就是本次索尼透露給大家的PS5的一些特性，當(dāng)然，我們距離PS5完全解開謎底還有一段距離。
