A matéria abaixo é uma tradução livre do post “Xbox Velocity Architecture: A Closer Look at the Next-Gen Tech Driving Gaming Innovation Forward on Xbox Series X” disponível no blog Xbox Wire por Jason Ronald, Diretor de Gerenciamento de Programas, divisão Xbox.
Quando decidimos projetar o Xbox Series X, aspiramos a construir o console mais poderoso já desenvolvido para a próxima geração e fornecendo inovação e um desempenho consistente e sustentado nunca antes visto em um console. Para atingir esse objetivo, sabíamos que precisávamos analisar cada componente do sistema, além das limitações no desempenho e no design tradicionais do console.
Foi fundamental no design do Xbox Series X garantir que tivéssemos um equilíbrio superior de poder, velocidade e desempenho, garantindo que nenhum componente restringisse a ambição criativa dos melhores criadores do mundo, capacitando-os a oferecer experiências de jogos da próxima geração verdadeiramente transformadoras, ainda não possível em gerações anteriores de console.
No coração do Xbox Series X está o nosso processador personalizado, aproveitando as arquiteturas RDNA 2 e Zen 2 mais recentes de nossos parceiros da AMD para oferecer o melhor processador da próxima geração, oferecendo mais de 12 TFLOPs de potência da GPU e mais de 4 vezes a CPU poder de processamento do Xbox One X. O Xbox Series X inclui a maior largura de banda de memória de qualquer console da próxima geração com 16 GB de memória GDDR6, incluindo 10 GB de memória otimizada por GPU a 560 GB/s para manter o processador alimentado sem gargalos.
Ao analisarmos o subsistema de armazenamento, ficou claro que atingimos os limites superiores da tecnologia tradicional de discos rígidos e, para cumprir nossas aspirações de design, precisaríamos repensar radicalmente e revolucionar nossa abordagem com o Xbox Series X.
Capacitando a próxima geração de design de jogos e visão criativa
Os jogos modernos exigem uma quantidade significativa de dados para criar os mundos e universos realistas que os jogadores experimentam. Para permitir que o processador funcione com o desempenho ideal, todos esses dados devem ser carregados do armazenamento na memória. A explosão de ambientes dinâmicos e massivos de mundo aberto e mundos vivos e persistentes com densidade e variedade aumentadas apenas aumentaram a quantidade de dados necessários. Desde dados de malha ambiental, modelos de caracteres de alto polígono, texturas de alta resolução, dados de animação, arquivos de origem de áudio e vídeo e muito mais se combinam para oferecer o ambiente de jogo mais imersivo para o jogador.
Apesar da capacidade dos mecanismos de jogos modernos e do middleware transmitirem recursos de jogos para a memória a partir do armazenamento local, ainda é necessário que os designers de níveis criem caminhos estreitos, corredores ou elevadores para contornar as limitações de um disco rígido tradicional e um pipeline de I/O. Esses elementos no jogo geralmente são usados para mascarar a necessidade de descarregar os recursos da zona anterior da memória e carregar novos ativos para o próximo espaço de jogo.
Ao discutirmos as aspirações dos desenvolvedores por seus títulos da próxima geração e as limitações da tecnologia de geração atual, esse desafio continuaria a aumentar exponencialmente e restringiria ainda mais a ambição de jogos verdadeiramente transformadores. Esse feedback influenciou o design e o desenvolvimento da arquitetura Xbox Velocity.
Apresentando o Xbox Velocity Architecture
A arquitetura Xbox Velocity foi projetada como a melhor solução para o streaming de ativos de jogos na próxima geração. Essa reinvenção radical do subsistema de I/O tradicional influenciou diretamente todos os aspectos do design do Xbox Series X. Se o nosso processador projetado estiver no coração do Xbox Series X, a arquitetura Xbox Velocity será alma. Por meio de uma profunda integração de inovações em hardware e software, a arquitetura Xbox Velocity oferecerá experiências de jogos de última geração diferentes de tudo que você já viu antes.
A arquitetura Xbox Velocity compreende quatro componentes principais: nosso SSD NVME personalizado, blocos de descompressão acelerada por hardware, uma nova camada de API DirectStorage e Sampling Feedback Streaming (SFS).
Vamos nos aprofundar em cada componente:
- NVME SSD personalizado: A base da arquitetura Xbox Velocity é o nosso SSD NVME de 1 TB personalizado, fornecendo 2,4 GB/s de taxa de transferência bruta de I/O, mais de 40x a taxa de transferência do Xbox One. Os SSDs tradicionais usados nos PCs geralmente reduzem o desempenho à medida que a temperatura aumenta ou durante a manutenção da unidade. O SSD NVME personalizado no Xbox Series X foi projetado para desempenho consistente e sustentado, em oposição ao desempenho máximo. Os desenvolvedores têm um nível garantido de desempenho de I/O em todos os momentos e podem projetar e otimizar de maneira confiável seus jogos, removendo as barreiras e restrições que eles precisam resolver hoje. Esse mesmo nível de desempenho consistente e sustentado também se aplica ao cartão de armazenamento expansível da Seagate, garantindo que você tenha exatamente a mesma experiência de jogo, independentemente da localização do jogo.
- Descompressão acelerada por hardware: Os pacotes e ativos de jogos são compactados para minimizar o tempo de download e a quantidade de armazenamento necessária para cada jogo individual. Com suporte acelerado por hardware tanto para o descompressor LZ padrão do setor quanto para um algoritmo proprietário novo, projetado especificamente para dados de textura chamado BCPack, o Xbox Series X oferece o melhor dos dois mundos para que os desenvolvedores obtenham grandes economias sem perda de qualidade ou desempenho . Como os dados de textura compreendem uma parte significativa do tamanho total total de um jogo, tendo um algoritmo construído para fins otimizado para dados de textura, além do descompressor LZ de uso geral, ambos podem ser usados em paralelo para reduzir o tamanho geral de um pacote de jogo. Assumindo uma taxa de compactação de 2: 1, o Xbox Series X oferece um título eficaz de 4,8 GB/s de desempenho de I/O ao título, aproximadamente 100x o desempenho de I/O nos consoles da geração atual. Para fornecer níveis semelhantes de desempenho de descompactação em software, seriam necessários mais de 4 núcleos de CPU Zen 2.
- Nova API DirectStorage: As APIs de I/O de arquivo padrão foram desenvolvidas há mais de 30 anos e são praticamente inalteradas, enquanto a tecnologia de armazenamento fez avanços significativos desde então. Ao analisarmos os padrões de acesso a dados de jogos, bem como os mais recentes avanços de hardware com a tecnologia SSD, sabíamos que precisávamos avançar no estado da arte para colocar mais controle nas mãos dos desenvolvedores. Adicionamos uma nova API DirectStorage à família DirectX, fornecendo aos desenvolvedores um controle refinado de suas operações de I/O, capacitando-os a estabelecer várias filas de I/O, priorizando e minimizando a latência de I/O. Essas APIs de acesso direto e de baixo nível garantem que os desenvolvedores possam tirar o máximo proveito do desempenho bruto de I/O proporcionado pelo hardware, resultando na eliminação praticamente virtual dos tempos de carregamento ou nos sistemas de deslocamento rápido. . . ultra rápido.
- Sampler Feedback Streaming (SFS): O Sampler Feedback Streaming é uma inovação totalmente nova, construída sobre todos os outros avanços da arquitetura Xbox Velocity. As texturas do jogo são otimizadas em diferentes níveis de detalhes e resolução, chamados mipmaps, e podem ser usadas durante a renderização com base na distância ou distância do objeto do jogador. À medida que um objeto se aproxima do jogador, a resolução da textura deve aumentar para fornecer os detalhes nítidos e os visuais esperados pelos jogadores. No entanto, esses mipmaps maiores requerem uma quantidade significativa de memória em comparação com os mips de menor resolução que podem ser usados se o objeto estiver mais distante na cena. Hoje, os desenvolvedores devem carregar um nível mip inteiro na memória, mesmo nos casos em que apenas podem amostrar uma porção muito pequena da textura geral. Por meio de hardware especializado adicionado ao Xbox One X, pudemos analisar o uso da memória de textura pela GPU e descobrimos que a GPU geralmente acessa menos de 1/3 dos dados de textura necessários para ser carregado na memória. Uma única cena geralmente inclui milhares de texturas diferentes, resultando em uma perda significativa na memória efetiva e na utilização da largura de banda de I/O devido ao uso ineficiente. Com esse insight, fomos capazes de criar e adicionar novos recursos à GPU do Xbox Series X, o que permite carregar apenas as sub-partes de um nível mip na memória, sob demanda, bem a tempo de quando a GPU exigir os dados. Essa inovação resulta em aproximadamente 2,5x o rendimento efetivo de I/O e o uso de memória acima e além dos recursos de hardware bruto, em média. O SFS fornece um multiplicador eficaz na memória do sistema disponível e na largura de banda de I/O, resultando em significativamente mais memória e taxa de transferência de I/O disponíveis para tornar seu jogo mais rico e imersivo.
Com o aumento maciço da taxa de transferência de I/O, a descompressão acelerada por hardware, o DirectStorage e os aumentos significativos em eficiência fornecidos pelo Sampler Feedback Streaming, a Xbox Velocity Architecture permite que o Xbox Series X ofereça desempenho efetivo muito além das especificações brutas de hardware, fornecendo acesso instantâneo e de baixo nível a mais de 100 GB de dados do jogo armazenados no SSD bem a tempo de quando o jogo exigir. Essas inovações desbloquearão novas experiências de jogo e um nível de profundidade e imersão diferente de tudo que você já experimentou nos jogos.
Desbloqueando experiências de próxima geração
O que isso tudo significa para você como jogador? Como os desenvolvedores e empresas de middleware mais criativos do setor começaram a explorar esses novos recursos, esperamos uma inovação significativa na próxima geração, pois essa nova arquitetura revolucionária permite cenários totalmente novos, nunca antes considerados possíveis em jogos. A arquitetura Xbox Velocity fornece um novo nível de desempenho e recursos muito além das especificações brutas do próprio hardware.
A Xbox Velocity Architecture repensa fundamentalmente como um desenvolvedor pode tirar proveito do hardware fornecido pelo Xbox Series X. De técnicas de renderização totalmente novas à eliminação virtual de tempos de carregamento, a mundos vivos maiores e mais dinâmicos onde, como jogador, você pode escolha como deseja explorar, não podemos ficar mais animados com os primeiros resultados que já estamos vendo.
Além disso, a Xbox Velocity Architecture abriu ainda mais oportunidades e permitiu novas inovações no nível da plataforma, como o Quick Resume, que permite que você retome instantaneamente de onde parou em vários jogos, melhorando a experiência geral de jogo para todos os jogadores da Xbox Series X.
Referências:
API: é um conjunto de rotinas e padrões de programação para acesso a um aplicativo de software ou web
I/O: Fluxo de Entrada/Saída
Pipeline: A segmentação de instruções é uma técnica de hardware que permite que a CPU realize a busca de uma ou mais instruções além da próxima a ser executada.