索尼系統(tǒng)架構師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。外媒Digital Foundry提前觀看了這次演講并與Mark Cerny進行了更深入的交談，并了解到了設計背后的理念。
下面這段約53分鐘的演講原本這些內容是應該在GDC游戲開發(fā)者大會上發(fā)表的，不過由于疫情原因而導致本次活動取消了。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，基本都是技術方面的內容，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，包含8個物理核心和16線程，這些都是以前公布過的信息?，F(xiàn)在我們知道了它們的時鐘速度——PS5的CPU可以提供最高3.5GHz的頻率。Mark Cerny將這個頻率描述為“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行速度可能會更慢。
索尼的定制版AMD RDNA 2 GPU具有36個運算單元（CU），運行頻率上限為2.23GHz，可有效提供 10.28TFLOPs 的峰值計算性能。雖然2.23 GHz是極限，但也是通常的速度，它可能會根據(jù)所需的工作負載而降低頻率。PS5使用了一個boost clock。RDNA 2運算單元的晶體管密度比PS4的運算單元高62％，這意味著就晶體管數(shù)量而言，PS5的36個運算單元陣列相當于58個PS4的運算單元。 而且這些新的運算單元運行的頻率是以前的兩倍。
以下是PS5的關鍵參數(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)
·內存：16GB GDDR6/256-bit
·內存帶寬：448GB/s
·存儲：定制的 825GB 固態(tài)硬盤
·IO吞吐量：5.5GB/s (Raw), Typical 8-9GB/s (Compressed)
·存儲介質：4K UHD Blu-ray Drive
PS5和Xbox Series X的硬件參數(shù)對比：
PS5的boost功能
認清PS5的可變頻率是一件重要的事，它被稱為“boost”，但它與手機或PC的CPU/GPU類似的技術不同，在手機或PC中，峰值性能和散熱空間直接相關，因此在更高的溫度環(huán)境下游戲幀率可能會降低，有時會變得非常低。這與家用主機的期望相矛盾，因為主機平臺期望所有的機器都能提供完全相同的性能。因此，PS5沒有使用這種方式來提高時鐘頻率。據(jù)索尼稱，無論環(huán)境溫度如何，所有PS5主機在任何環(huán)境下均會以相同的性能水平處理相同的工作負載。
那么在這種情況下boost是如何工作的？簡而言之，PS5的性能預算與散熱裝置的散熱極限有關。Mark Cerny說：“這是一個完全不同的例子，我們不是以恒定的頻率運行和讓性能根據(jù)工作負載而變化，而是以基本上恒定的性能運行并讓頻率根據(jù)工作負載而變化?！?/p>
一個內部監(jiān)視器會分析CPU和GPU上的工作負載并調整頻率以匹配。Cerny在演講中解釋：“我們不是看硅芯片的實際溫度，而是看GPU和CPU所執(zhí)行的活動，并在此基礎上設置頻率——這使一切都具有確定性和可重復性。在這個過程中，我們還使用了AMD的SmartShift技術，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?！?/p>
這一設計決策與微軟的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鐘和降低性能的潛在功耗峰值。但對于索尼而言，這意味著PS5可以達到的GPU頻率要遠比我們預期的高，這些時鐘也高于PC領域現(xiàn)有AMD部件中的時鐘。這也意味著它可以從36個可用的RDNA 2計算單元中提取更多性能。
Mark Cerny不希望與過去、現(xiàn)在或將來的任何硬件進行比較，而是提出了一種有趣的假設方案—— 一個36個運算單元的圖形核心以1GHz運行，與一個48個運算單元其中部分以750MHz運行。兩者均提供了4.6TF的計算性能，但Cerny說游戲體驗將會有所不同。他解釋說：“性能明顯不同，因為'teraflops'被定義為ALU的計算能力。這只是GPU的一部分，還有很多其它的單元——當GPU頻率更高時，這些其它單元都運行得更快。頻率如果提高了33％，光柵化的速度會快33％，命令緩沖區(qū)的處理速度會大大提高，L1和L2緩存也會有高得多的帶寬，以此類推。唯一的缺點是系統(tǒng)內存在周期方面相差33％，但其帶來的好處遠不止于此。正如我的一個朋友所說，水漲船高。此外，與完全使用48個CU（運算單元）相比，完全并行使用36個CU要容易得多，當三角形較小時，要用有用的工作來填充所有這些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的圖形核心應該能夠提供比你所預期的更高的性能，而TFLOPs的數(shù)字并不能準確地包含GPU的所有能力。開發(fā)人員在SoC (system on chip) 的性能限制下工作，他們的工作負載會影響運行中的頻率，但影響時鐘速度的是這些因素，而不是環(huán)境溫度。Cerny承認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的時鐘頻率很高，但以固定的性能預算下運行的概念能夠使散熱的概念更易于處理。
Cerny在演講中說：“從某種意義上講，這將成為一個更簡單的問題，因為不再有未知數(shù)，無需猜測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節(jié)，我們今后在設備拆解的時候再談。我想你會對工程團隊的想法而感到滿意?！?/p>
PlayStation 5圖形核心
當處理器達到其功率極限并且組件降頻時會發(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上運行。他說：“當最壞情況的出現(xiàn)時，它將以較低的時鐘速度運行，但是不會降低太多，將性能降低10％只需要降低幾個百分點的頻率，所以我認為任何降頻都是相當小的。綜合考慮各方面因素，向變頻方式的轉變將為PlayStation玩家?guī)盹@著的收益。”
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技術的AMD和AMD衍生產(chǎn)品持平。一個被稱為“幾何引擎”的新模塊為開發(fā)人員提供了對三角形和其他圖元的無與倫比的控制，并且很容易優(yōu)化幾何剔除。功能擴展到“原始著色器”的創(chuàng)建，這聽起來與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并未提及機器學習支持或可變速率著色等技術，但PS5確實通過其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”。外界曾猜測會有一個外部模塊，但事實并非如此——像下一代Navi和Xbox Series X一樣，光線追蹤硬件是內置在著色器中并完全集成的。與RDNA實現(xiàn)類似，PS5將可以實現(xiàn)我們在PC領域看到的相同光追——反射、環(huán)境光遮擋、陰影和全局照明都是很好的選擇。
Cerny說：“我們能走多遠呢？我開始變得相當樂觀了。我已經(jīng)看到過一款PS5游戲，它可以在復雜的動畫場景中成功地使用基于光線跟蹤的反射，而且成本也很低。”
SSD如何實現(xiàn)次世代夢想
SoC芯片的性質及其功能很重要，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，這里有兩個非常具體的組件：SSD（固態(tài)硬盤）和一個稱為“Tempest引擎”的出色的3D音頻硬件。
索尼在固態(tài)存儲領域投入了雙倍下注，每隔幾年Mark Cerny都會環(huán)游世界與數(shù)十位開發(fā)人員和發(fā)行商會面，而集成SSD是次世代的首要需求。索尼讓PS5的存儲性能比PS4快了兩個數(shù)量級，2GB的數(shù)據(jù)可以在四分之一秒內加載，這意味著從理論上講PS5的整個16GB內存容量可以在兩秒鐘內被填滿 。Cerny說：“作為游戲創(chuàng)造者，我們從試圖分散玩家快速傳送時要花費多久時間的注意力（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渡?！?/p>
要使性能提高兩個數(shù)量級，就需要大量定制硬件才能將SSD無縫連接到主處理器。定制閃存通過12通道接口與SSD模塊結合，可以提供所需的5.5GB/s的性能以及總共825GB的存儲空間。這聽起來可能是一個奇怪的數(shù)字，因為消費者的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。簡而言之，索尼擁有更多的自由來調整其設計：“我們可以研究可用的NAND閃存部件，然后設計出性價比最高的產(chǎn)品。有人可能認為打造一個M.2硬盤沒有這種自由，如果它不是那些標準尺寸之一，將很難營銷和銷售。”
控制器本身通過四通道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)具有六個優(yōu)先級，這意味著開發(fā)人員可以根據(jù)游戲的需求來考慮數(shù)據(jù)的優(yōu)先級。該控制器支持行業(yè)標準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的帶寬相當于每秒輸入系統(tǒng)的有效帶寬為8G或9G。Cerny透露：“順便說一句，就性能而言，定制的解壓縮器相當于9個我們的Zen 2核心，這就是用傳統(tǒng)CPU對Kraken流進行解壓縮的過程?！?/p>
一個專用的DMA控制器（在性能上相當于一個或兩個Zen 2核心）將數(shù)據(jù)定向到所需的位置，而兩個專用的定制處理器則處理I/O和內存映射。最重要的是，一致性引擎像管家一樣運作。Cerny在演講中解釋說：“一致性在很多地方都出現(xiàn)了，可能最大的一致性問題是GPU緩存中的陳舊數(shù)據(jù)。在讀取SSD時刷新所有GPU緩存是沒有吸引力的選擇，它可能會損害GPU性能，因此我們采用了一種更溫和的處理方式，在這里，一致性引擎會將覆蓋的地址范圍通知給GPU，而數(shù)十個GPU緩存中的定制清理程序會精確地逐出這些地址范圍?！?/p>
所有這些都交付給開發(fā)人員而無需他們做任何事情。定制硅甚至可以解決解壓問題， Cerny解釋說：“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，然后整個加載過程就會在你不可見的情況下以非常快的速度進行。”
△PS5內置的固態(tài)硬盤與PS4機械硬盤的速度對比
索尼如何應對擴展存儲
自Mark Cerny首次揭示SSD的特性以來，人們就一直在問擴展存儲。當你已經(jīng)填滿了分配給你的825GB存儲空間時會發(fā)生什么？
首先，PS5支持向下兼容——你可以通過從常規(guī)的外部存儲設備運行老游戲來節(jié)省空間，它不會像從內部SSD啟動那么快，但這將為需要的次世代游戲騰出空間。一旦達到了限制，我們覺得游戲可以備份到標準的硬盤上，但是有一個選項可以增加SSD的存儲空間——NVMe PC硬盤可以在PS5上使用。唯一的問題是PC技術遠遠落后于PS5，更新的基于PCIe 4.0的硬盤需要一些時間才能上市，它的帶寬要求符合索尼的規(guī)格。
然后，索尼還需要對其進行驗證以確保它們可以正常工作。 PS5將擁有一個NVMe插槽，但硬盤的兼容性至關重要，這不只是帶寬問題。 PS5的規(guī)格為開發(fā)人員提供了六個優(yōu)先級，而NVMe規(guī)格只有兩個。
Mark Cerny說：“我們肯定可以只將兩個優(yōu)先級連接到一個硬盤上，但是我們的定制I/O單元必須仲裁額外的優(yōu)先級——而不是M.2硬盤的閃存控制器——因此M.2硬盤需要一點額外的速度來處理由不同方法引起的問題。這個商用硬盤還需要在物理上適應我們在PS5中為M.2硬盤所打造的托架。與內置硬盤不同，不幸的是M.2硬盤的高度沒有標準，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扇。”
雖然內部SSD解決方案是專有的并且有著非標準的容量，但這不會影響兼容的M.2硬盤的存儲容量，如果你購買了1TB或2TB的硬盤，你就會擁有這么多存儲空間。Cerny說：“ 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）內部接口。我們不知道或不需要知道該內部接口的詳細信息，或者通過接口連接的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）以及它可以通過該接口支持的讀取帶寬?！?/p>
簡單來說，擴展存儲是可能的，你不需要索尼的專用硬盤來獲得你想要的額外空間。但是至少在短期內的建議很簡單：如果你打算在PlayStation 5上使用NVMe硬盤，請不要購買沒有經(jīng)過索尼認證的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，畢竟這是尖端技術。但是很顯然，隨著次世代的發(fā)展前景將顯著改善，而價格則會隨著時間的推移而明顯下降。
△PS5將會向下兼容PS4游戲。在PS5上市時，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Tempest Engine實現(xiàn)前所未有的3D音頻保真度
在與Mark Cerny交談時，他感嘆自己在與開發(fā)商和發(fā)行商的定期訪問中幾乎見不到音頻工程師，而為了提供次世代的音頻體驗，索尼自己不得不采取行動了。音頻本身在當前世代的服務水平一直很差，通常只能得到Jaguar核心的一小部分來提供7.1環(huán)繞聲，遠遠低于PS3時代所享受的音頻。實際上，Cerny指出PSVR是當代環(huán)繞聲的標準持有者，因為它具有可支持“ 50個相當不錯的音源”的定制音頻單元。而PS5的新Tempest Engine支持數(shù)百個，并且質量更高。
在當今的游戲中下雨是一種簡單的聲音。借助Tempest Engine，PlayStation 5旨在通過模擬各個雨滴撞擊到你周圍地面的聲音，營造出真正處于淋浴中間的感覺。這更多的是能夠精確跟蹤物體的位置，而實現(xiàn)這一目標的科學技術是令人驚訝的，因為這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，索尼需要生成一個表，這稱為“與頭部相關的傳遞函數(shù)”（Head-related Transfer Function - HRTF）?？梢酝ㄟ^處理該表中的音景來模擬如何感知音頻，可以說這是一項計算量巨大的任務。 Tempest Engine實際上是經(jīng)過重新設計的AMD GPU計算單元，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。反過來說，這為充分利用運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，那么對于5000個聲源來說都足夠了——但是當然我們要使用更復雜的算法，而不需要像這么多的聲音?！?/p>
簡而言之，“Tempest Engine”開啟了游戲音頻真正的革新之門，盡管這個系統(tǒng)在達到最大潛力方面還面臨著挑戰(zhàn)，但有一件事你不需要擔心，那就是購買高端音頻硬件來享受這種體驗。在短期內簡單的解決方案是使用耳機：兩個耳朵和兩個揚聲器就是你所需要的全部，剩下的交給Tempest引擎來處理。展望未來，索尼對電視揚聲器和SoundBar的虛擬環(huán)繞聲帶來的出色效果感到樂觀，多揚聲器系統(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間內看不到它的潛力得到充分發(fā)揮。通過HRTF系統(tǒng)處理音頻的挑戰(zhàn)在于每個人的頭和耳朵都是不同的，索尼為大約一百個人設計了HRTF并提供了發(fā)售時的五個預設方案。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，而實現(xiàn)這一目標正在研究當中。
Mark Cerny說：“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)絡來選擇庫中最接近的HRTF。也許你會向我們發(fā)送你的耳朵和頭部的視頻，我們將會制作出3D模型然后合成HRTF。也許你會玩一個音頻游戲來調整HRTF，我們會巧妙地在你玩游戲時進行更改，并在HRTF上給你最高的分數(shù)，這意味著它最適合你。這是我們在未來幾年內將共同經(jīng)歷的旅程。最終，我們致力于使每個人都能體驗到更高層次的現(xiàn)實主義。”
以上就是本次索尼透露給大家的PS5的一些特性，當然，我們距離PS5完全解開謎底還有一段距離。
