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[中文版]关于微软新主机Xbox“天蝎座”的所有情报都在这里了

发布时间:2017-04-07    浏览数:
昨日,Digital Foundry独家放出了Xbox天蝎座的消息,TGFC论坛的“Nemo_theCaptain”也在第一时间对视频和文字消息进行了翻译,我社获得授权进行了转载。

《深入Xbox天蝎座 硬件揭幕》

上周,DF受邀来到微软雷特蒙德总部,看到了还是早期原型机状态的天蝎,但这台原型机已经可以输出不错的画面了,不过因为这不是零售机,因此最终配置可能还会发生变化。

现场展示的Demo是废渣6,轻松实现了原生4K加60帧,甚至还有余力提升特效,对于1080p用户,天蝎也有一定的提升。

作为升级版主机,天蝎的目标自然很明确,4K输出,HDR色彩,和原版相当或更高的帧数,以及更好的空间音效。

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AMD开发的新SOC被称为“天蝎引擎”,微软的团队使用名为PIX(Performance Inspector for Xbox,Xbox性能检查者)的工具对显卡进行扫描,针对原版Xbox One能实现900p或更高分辨率的游戏进行显卡分析,这些游戏在天蝎上可以轻松实现4K。以此为理论基础,微软与AMD在SOC领域展开了深入的合作。

通过PIX工具,微软对硬件需求进行反复测试,推理出一个最平衡的配置,第一方的开发者参与了PIX测试,推测出Xbox One最常见的游戏实现4K需要什么指标,指标包括CU(Compute Unit,即AMD的流处理器簇)数量、频率、内存带宽、显卡后端规模、硬件Shader引擎数量、缓存尺寸,以此为基础推导出一个平衡的配置。

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天蝎的SOC,已经处于最终状态了,台积电16纳米工艺,70亿晶体管,40个CU等

这些其实都是几年前的过去时了,那时候还不存在任何实体硬件,通过收集的数据,微软可以向AMD提出更确切的定制芯片要求。微软表示他们对AMD的架构以及自己的游戏非常熟悉,他们的分析深入到了内部请求序列、缓存、FIFO,对于整个流水线十分了解,如果处理器的某个功能区过小,造成了瓶颈,查明后,这一部分就会被放大。

最终诞生的就是这颗SOC,有效规模为40 个CU簇(总共44CU,屏蔽了4个),频率为1172Mhz,其中的很多细节与DF在1月末的推测相似,但DF之前对频率的预测略显保守了,同为6T解决方案,微软选了几个方案里规模最小、频率最高的一种。要实现高频率需要一个更好的散热系统。RX 480的最高Boost频率仅比天蝎显卡高94Mhz,CU少了4组,但依然需要一个强力散热器维持这一频率。

天蝎显卡的Shader引擎处理器数量翻倍,再加上频率的提升,多边形和矢量处理效率提升了2.7倍。再把渲染的后端翻倍,又能提升2.7倍的像素填充率,显卡的L2缓存翻了四倍,有利于4K表现。

除了6T浮点性能,天蝎在架构上还有一些提升效率的设计。在4K时代,贴图和分辨率变得更大,对带宽的要求更高,天蝎的6T显卡需要超过300GB/S的带宽。最终微软选择了384位GDDR5内存,共12块,容量为12GB,每一块为32位,频率为6.8GHz,提供326GB/S的带宽。

原版Xbox One没有的DCC(色彩压缩)系统也加入了天蝎,用于节省带宽。12GB内存中,游戏可用容量从5GB提升至8GB,系统可用容量从3GB提升至4GB,多出来的那1GB让界面(Dashboard)运行在原生4K分辨率下。硬盘容量为1TB,带宽增加50%,可加速读盘效果。

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天蝎并没有使用GDDR5X内存或ESRAM提升带宽,而是直接通过GDDR5满足需求

就和1月末DF爆料的文档一样,天蝎放弃了ESRAM,因为内存的带宽已经超过了ESRAM,虽然GDDR5的延迟更高,但更强的带宽和更好的显卡弥补了这一点不足。

CPU方面,很多人猜测天蝎使用了最新的Ryzen,但DF始终对此表示质疑,考虑到天蝎计划的时间线,以及8核CPU的微软官方声明,天蝎用的应该是提频捷豹,8个核心,4个一组,L2缓存共4MB,频率2.3Ghz,这样可以实现游戏的100%兼容。

新的CPU频率提升了31%,还有大量定制功能用于降低延迟,提高效率。APU这一形式可以提升CPU和GPU的沟通效率,还有其他的硬件减负方式,一部分是原版Xbox One就有的,一部分是原创的,显卡得到了升级,提供新能力——空间音效(spatial surround),在目前已有的7.1声道中加入了更多“重量”成分。天蝎还新增杜比全景声(Dolby Atmos)技术,这一技术还可以通过耳机实现微软专利标准HRTF(Head Related Transfer Functions,头部相关传输函数,一种音效定位算法),该标准由Hololens团队研发。因为APB(audio processor block,音频处理模块)这部分硬件和原版Xbox One基本相同,也就是说,现存的所有Xbox One都可以通过固件升级得到这些新的声卡功能。

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天蝎的主板部件通过特殊的方式与处理器焊接,提供了额外的效率和高频率,这一设计名为“Hovis方案”,取自设计这一方案的工程师之名

天蝎更大的改进在于显卡的“指令处理器”(command processor),这一部分从CPU接受指令,打包后送往显卡核心。Direct3D 12的指令被原生内置在指令处理器中,大幅降低高延迟的API请求,明显提高CPU到GPU的效率。

Draw Call指令是CPU最繁重的任务之一,在传统流水线中,CPU需要传输上千,甚至上百万的指令,有了这个硬件级的减负指令控制器,任何Draw Call都可以浓缩在11条指令内,改变状态则只需要9条。

对于那些在Xbox One上熟练掌握了Direct3D 12的开发者而言,CPU的渲染overhead因此减半,驱动层在流水线中变得非常薄,这是显著的进步。

再次澄清,天蝎的CPU不是Ryzen,但是微软的Xbox团队对此并不怎么在乎,他们认为,通过定制部件就足够达成设计目标,因为天蝎毕竟是一个面向消费者的量产机,需要保持性价比的平衡,定价不能太高。

天蝎的SOC面积为360平方毫米,晶体管数量70亿,在结构图中,左侧四个Shader引擎占了主要面积,每个Shader引擎包含11个CU簇(屏蔽1个,剩下10个有效)。右侧则是两个CPU组,剩下的边缘则是内存控制器。

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天蝎还整合了AMD最新的硬件编码器,DVR功能提升至4K 60帧水平,而且使用了次世代的HEVC编码,还可以录制Full HDR视频。新增的回溯屏幕录制( retroactive screen capture)功能允许你逐帧截取视频中的某一张图片。

输出标准采用HDMI 2.0,这样才能满足4K 60帧和HDR。为了满足各种需求,天蝎同时支持三种不同的内部分辨率——游戏的原生分辨率、界面分辨率和视频播放分辨率。1080p的电视可以使用4K超采样增强画质。微软还规定,天蝎的游戏帧数任何情况下不得低于原版Xbox One。

功耗和散热方面,Xbox One的每一块芯片都处在最佳能耗比状态,这样可以避免很多麻烦。借助名为“Hovis方案”的特殊焊接方法,每一块SOC从台积电出厂后都带上了各自的功耗档案,主板与芯片之间的整合度更高,即使如此,SOC的热量依然不小,微软采用了一个对于主机前所未有的散热方案。

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蒸汽抽风式散热,对于主流级消费产品还是头一遭,之前只有GTX 1080和1080 Ti这种高端PC显卡用过

简单来说,在蒸汽抽风散热方案中,真空管里的电解水会吸收热量,然后气化,将热量从热点移走,这一方案的效率很高,但想要最终把热量排出机箱内,原来的风扇已经不够用了,为此他们定制了一个新的离心风扇,类似汽车的增压器。

微软向DF展示了当前的样机,采用简洁、合理、模块化的设计,填充了机箱的大部分空间,硬盘放在了吸收振动的减震器上,这样可以减少数据丢失概率,4K蓝光光驱和Xbox One Slim基本相同,做了少许修改。

天蝎同样采用了内置电源,245瓦即可满足需求,机箱背后与Slim相同,使用8针电源接口。因为接口与Slim相同,天蝎无法直连Kinect,需要额外的USB转接器,但HDMI输入接口依然得到了保留。最终的形态会在E3展出,DF认为,它会给人带来惊喜。

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微软承诺,从性能的角度来讲,原版Xbox One上900p和1080p的游戏,天蝎可以原生4K运行。眼见为实,他们向DF展示了Demo。负责讲解的人是Turn 10的软件工程师Chris Tecton,展示的游戏以废渣6为基础,Demo属于压榨型演示,车手数量、AI和物理全开,在4K分辨率下锁定60帧运行,选择原版Xbox One的特效水平,显卡的占用率仅为66.19%,即使把特效调整成PC的全开档次,显卡占用率依然只有88%。

当然,废渣不能代表所有游戏,不过这个Demo从第一天就能正常运行,第二天就调整到了演示的水准,并没有花太大力气,给Turn 10更多的时间,他们还能做到更好。DF认为既然是展示,微软就一定要拿最好的例子来展示,但微软表示Turn 10的这个例子并非“特挑”,考虑到Demo只做了两天,显然这还不是天蝎最好的水准,剩下的就等待E3吧。

《天蝎提升Xbox One和Xbox 360游戏的五种方式》

升级版主机向下兼容有两种方式

PS4 Pro采用的是一种降级模拟方式,显卡规模正好是标准版的两倍,因此只要屏蔽掉一半就可以完美兼容,但这也意味着一半的显卡性能在没有Pro补丁的游戏里无法得到利用,即使是Boost模式也是如此

天蝎选择的则是更复杂的方式,标准版Xbox One可以运行的游戏,天蝎都能运行,包括向下兼容的Xbox 360游戏,理论上而言,运行任何作品,即使没有补丁,天蝎也可以充分发挥自己的全部性能,但看了下文你会知道这只是理论上,实际情况没有这么理想。

天蝎有五种方式提升效果,这五种方式适用于Xbox One游戏,以及提供兼容的Xbox 360游戏,当然这里主要说的是没有专用补丁的游戏

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1:更稳定的帧数,消灭画面撕裂,但不能把锁30帧的游戏变成60帧,无法突破原版帧数上限(上面那张图左侧是Slim不是天蝎,天蝎的提升会更大)

2:在动态分辨率的游戏中,把分辨率始终维持在原版的最高分辨率,但无法提升至4K,因为原版不支持4K。

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3:更好的贴图过滤,4X AF全部升级为16X AF(上图为PC版废渣6对比)

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4:天蝎专用的系统级DVR功能,通过HEVC编码实现4K 60帧后台录像,并且不影响游戏流畅度,即使是1080p的录像,也会利用HEVC实现超高码率。天蝎还可以实现DVR视频的逐帧播放和截图,但这个功能不支持4K视频,不过没有4K分辨率的游戏也用不到4K的DVR。

5:更快的读取速度:CPU频率提升了31%,有助于读盘的IO工作;硬盘读取速度变快,读取4K贴图时的带宽提升了50%,对于不支持4K的游戏也能起到加快速度的作用;游戏可用内存从5GB提升到8GB,多出来的3GB可用于缓存,让重复的IO工作留在缓存区里,加快效率。

有极少数的游戏同时开启五个提升效果会导致Bug,这一点与PS4 Pro的Boost模式类似,为了保障这些游戏的正常运行,微软会关掉部分提升效果,因此有极少数游戏无法同时开启五种提升,有时甚至需要为此关闭部分显卡流处理器,就像Pro那样。

《DF社论:天蝎将主机推向新级别》

通过与微软的交谈,DF认为,天蝎与原版Xbox(或Slim)的价格差距,会比PS4 Pro和原版PS4更大。考虑到PS4 Pro的首发价格为399刀,而天蝎比PS4 Pro的处理器更大、增加4GB内存、更快的硬盘、4K蓝光光驱、高端散热,天蝎售价更贵是可以预料的,DF的预测是499刀。

天蝎仅仅是个代号,正式名称还没有揭晓,但微软强调“天蝎是Xbox One家族中的一员”,那么正式名称八成是“Xbox One XXX”吧。

在前往雷特蒙德之前,DF自己对天蝎的了解也不多,6T显卡浮点是官方确认过的,12GB内存是他们通过去年E3照片猜的,但是猜对了,增加的内存可以提供更清晰的贴图。但是显卡方面,DF以为天蝎会选择一个大面积低频率方案,结果正好相反,微软逆流而动,选择类似PC的低面积高频方案,DF认为这是一个不错的成就。

让我们认真看待一下微软的官方声明,原版Xbox One的1080p游戏没理由无法在天蝎上原生4K,废渣Demo就是最好的证明。但是更值得注意的,是那些原版只有900p的第三方游戏(PS4版基本是1080p),微软表示他们对于这类游戏参与了更多移植工作,应该能做到原生4K。至于那些原版900p都不到的游戏,微软则试图利用棋盘渲染等方案实现插值4K。

最大的问题在于,在分辨率(这一点天蝎毫无疑问高于PS4 Pro)之外,二者的画面实际观感有多大区别?PS4 Pro利用棋盘渲染、高级抗锯齿、临时超采样、动态分辨率等等技术竭力拉近插值4K和原生4K的差距,但换个角度来看,PS4 Pro在这方面离完全成功还远得很,太多1440p游戏,真正值得称赞的,2160p加HDR游戏太少。至少在分辨率和帧数这两大指标的比较上,原版PS4是压着Xbox One的,天蝎在这方面有希望压制PS4 Pro。而且,不要低估多出来的内存,在古墓崛起等游戏中,即使你用4K超采样把画面缩到1080p输出,4K贴图的有无依然可以造成明显的差距。

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最终版天蝎的主板照片

在PC领域,最接近PS4 Pro的显卡是RX 470或者降频的RX 480,都是主流PC显卡,RX 480还可以通过超频把浮点提升到6T。然而,理论浮点数不代表一切,比如PS4 Pro的很多新一代插值相关的奇技淫巧在PC上是不存在的,只有少部分PC游戏以软件形式提供了这些能力。DF希望这一情况得到迅速改变,但事实是,主机可以提供一些效果不错的插值4K渲染,保障了主机的性价比。

微软保证天蝎的6T表现要比PC上AMD的6T显卡强得多,他们给出了几大理由,首先,天蝎的Shader编译器效率远胜PC。其次,在这个定制的特殊配置上,API可以提供更底层的硬件访问。最后,就是他们的优化软件PIX,这是主机专用的优化工具。

DF表示,从他目前了解到的信息来看,有一些证据表明,天蝎的原生4K表现可以和GTX 1070或Fury X级别的显卡相匹敌。新主机目前运行的一个Demo基于废渣6,特效相当于PC全开,实现了原生4K的锁定60帧,而这个Demo只花了Turn 10两天时间。DF在PC上用类似的设置测试了废渣6,GTX 1060出现了掉帧情况(而且雨天掉的很多),GTX 1070大部分时间稳定,只有激烈的雨天会掉帧,只有GTX 1080在各类测试中全程不动如山。这只是一个测试,两个程序的代码也不会完全相同,但这足以证明天蝎的实力,毕竟废渣6的PC版优化是饱受赞誉的,并非渣优化。

PC游戏需要进一步提升优化,才能提升4K的能耗比。如果原版Xbox One第三方的900p和1080p游戏在天蝎上也能达到第一方这种原生4K的水准,如果天蝎能够保持原生4K分辨率,与GTX 1070媲美,甚至更好,那么这样的成绩,对于一台主机而言,是相当不错了。

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天蝎的规格全面压制了PS4 Pro,但几乎可以确定的是,其价格也会比PS4 Pro更高

Mike Ybarra,Xbox与Windows游戏平台联合副总裁表示,天蝎的目标有四大支柱:一是重新取得开发者的倾力支持;二是提供原生4K所需的性能;三是兼容老游戏,并且让老游戏运行更出色;四是让天蝎满足1080p用户需求。

说明白点,微软依然觉得普通Xbox One销量会比天蝎更高,普通版更适合1080p设备,但现在PS4 Pro风头正劲,即使是1080p用户也会购买PS4 Pro,微软也需要改变策略。去年E3,菲尔•斯宾塞表示天蝎基本是个专注于4K的主机,后来他又表示坚持1080p对于玩家有利有弊,DF认为这是一个正确的方向,因为在短时间内,换主机的概率远大于换显示设备。

关于PS4 Pro,一个批评意见在于,部分模式成了一些分辨率的独占。比如说,如果游戏提供了高于1080p的分辨率,那么1080p用户理应得到超采样功能,但有些游戏没有这个功能,哪怕部分索尼第一方游戏都没有。微软对超采样的态度则是强制性的,只要天蝎的游戏提供高于1080p的分辨率,就必须提供超采样,在内部分辨率提升的同时,帧数也不能比原版Xbox One更低,必须同等或更高,希望可以看到更流畅的帧数。

硬件层面,天蝎的输出芯片是Xbox One Slim的强化版,足够满足4K输出需求,通过在横纵两个方向采样六个点的高质量Lanczos过滤保障效果。相较原版Xbox One原生的1080p输出,天蝎经过超采样缩放的1080p画面细节更佳,抗锯齿和贴图效果更好。

微软对1080p超采样的坚持,实际上有利于所有显示设备用户。PS4 Pro有一些游戏提供的1080p高帧数模式,必须把输出设定成1080p,才能使用,比如无人深空和吃人大舅,如果你的PS4 Pro输出设定是4K,那你很可能干脆就不知道游戏还有1080p高帧数模式。至于天蝎,所有模式——无论是分辨率优先还是帧数优先——都必须提供给所有用户,无论他们用什么分辨率的显示设备。DF认为这是个明智的举措,希望PS4 Pro也能跟进。

DF认为索尼和微软的观点可能是有分歧的,去年的E3, Mark Cerny表示,在PS5之前以Pro的形式给PS4大幅升级CPU和显卡是有必要的。但是Mike Ybarra今天则表示,主机用户也希望能够以更快的速度获得更新的技术,这种潮流正在颠覆传统观念。

DF的观点是,Mark Cerny的看法更理想主义,更符合核心玩家的期待,Mike Ybarra那番加快主机更新的观念,则与主机产业的现实更接近。摩尔定律早就被拖慢了,每隔五年等来一个性能提升6至8倍的新主机,已经越来越不可能了,所以DF更期待频率更高,迭代式的升级,但DF同样不希望主机产业变成第二个手机产业,三至四年内新主机提升2至3倍,才是更现实,更符合当前潮流的做法。

主机提升性能有两种做法,一是创新性的架构,二是等待制程改进,前者还算有个盼头,后者已经越来越艰难了。PS4和Xbox One在2013年末首发,用的是28纳米制程,一个2011年PC显卡就已经采用的制程(译注:DF指的是Radeon HD7970在2011年末的纸面发布,但仅仅是纸面发布而已,真货2012年才发售)。升级所需的16纳米工艺直到5年后才实用化,而且估计如果没有16纳米,主机都无法升级。10纳米已经崭露头角,但很可能不适合主机,7纳米还遥遥无期。记住这一点,迭代式的主机升级,才能满足对新技术饥渴的玩家,但即使如此,一年两次或一年一次升级也是几乎不可能的。

中期升级主机的命运尚未可知,但4K显示设备这波升级,对于PS4 Pro和天蝎是个不错的机会,随着1080p设备逐渐被淘汰,微软会加快推出新主机的频率。对于那些今年持币观望、对4K犹豫不决的用户,DF推荐你们去看看地平线:零之黎明开启HDR后在LG 4K OLED或索尼ZD9上的表现,这是第一方强力画面搭配目前最强屏幕的组合,效果拔群。

结束对微软的访问后,DF基本确认天蝎从硬件角度而言是一台成功的主机。之前的Xbox One Slim就已经超越了DF对于“第二代薄版主机”的简单要求,Xbox团队似乎已经找回了感觉,天蝎可以说是一流的硬件,DF唯一没有探明的潜在问题只有噪音。Xbox One在技术上输给了PS4,面对索尼的成功,天蝎给出了正确的回应。就很多层面而言,这台硬件都把主机设计推向了新的级别,充满了对核心玩家的专注。

DF真正担心的则是另一个问题:天蝎的游戏阵容能不能配得上这副硬件。

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