面向下一代游戲 微軟XBOXSeriesX 全新技術解讀

張平

對XBOXSeriesX（下簡稱XBOXX）的期待和討論已經持續了一段時間。在這期間，微軟不斷地放出有關XBOXX的相關消息，包括外形、控制器、硬件架構和內部設計等。本刊此前對XBOXX的相關信息進行過一次簡要介紹。數月后，微軟在HotChips2020大會上又公布了大量有關XBOXX芯片設計和技術應用的細節信息，趕緊來看看！

今天的主角是XBOXX，微軟在HotChips2020上公布了XBOXX處理器和架構設計的大量信息，人們終于可以比較清晰地了解到這款劃時代的全新游戲主機在芯片設計、GPU設計和性能、技術等方面的真面目。

XBOXSeriesX處理器技術特性一覽

XB0XX的處理器是由AMD和微軟聯合研制。微軟介紹了這款處理器的技術特性，其圖形部分支持取樣器反饋流（SamplerFeedbackStreaming）、DirectX光線追蹤（DirectXRaytracing）、可變像素比率渲染（VariableRatesShading）、機器學習加速（MachineLearningAcceleration）、D3D網格渲染（D3DMeshShading）等。除了圖形之外，它的其他技術特性還包括XB0X速度架構（XBOXVelocityArchitecture）、Opus音頻解碼（OpusAudioDecode）、高質量采樣率轉換（HighqualitySamplerateConverter）、利用卷積音頻引擎的音頻加速（ProjectAcousticsacceleration）、支持8K的線纜、支持HDMI2.1、支持VRR可變刷新率、支持120Hz輸出、支持線性光處理等。這些技術都基于XBOXX的SoC，因此微軟也對這款SoC進行了詳細介紹。

XBOXSeriesX處理器的工藝和成本

之前有關這款SoC的消息很多，比如這款SoC產品采用了Zen2架構的CPU核心搭配全新的GPU核心，工藝則依靠臺積電。現在微軟公布了更詳細的內容，在工藝方面，XBOXX的SoC采用了臺積電的7nm增強版工藝，整體處理器面積為360.4mm？，擁有153億晶體管，12層基底，采用了“5-2-5”的布置方式。封裝方式依舊是BGA，BGA尺寸的長寬均是52.5mm，是正方形布置，BGA擁有2963個球形觸點，球形觸點之間的最小距離為0.8mm。頻率方面，XBOXX的處理器頻率為3.8GHz，沒有使用Boost等方式，只是在開啟SMT多線程的時候頻率會降低為3.66GHz。

相比XBOX0neX、XB0XOneS所用的處理器，XBOXX處理器7nm增強版的工藝無疑要比XB0XOne的16nm先進不少。另外XB0XOneX的處理器晶體管數量為66億，芯片面積為367mm？，XBOXOneS則只有54億，芯片面積為237mm。再往前推的話，XB0XOne的處理器采用的是28nm工藝、48億晶體管，芯片面積為375mm。

從這些數據可以看出，微軟在設計XBOX系列產品的時候，其處理器最大核心面積維持在360mm～375mm？，一般不會超出這個數據，也不會太低于這個數據（除非是特殊版本，比如從XBOXOne更換工藝、升級版本的XBOX0neS），這應該是充分考慮了成本、性能和設計難度之間的衡量。畢竟芯片面積越大，成本上升速度越快。目前桌面類似處理器中，芯片面積最大的也就是英偉達GA100，面積大約在800mm？，但是其產品售價和XBOXX這種面向大眾的產品完全不是一個量級了。

另外微軟還特別提到XBOXX的成本和摩爾定律等問題。微軟認為，目前遵循摩爾定律的路徑進行產品開發的確可以達成目標，但是成本控制會成為很大的問題。臺積電新的7nm增強版本工藝使用了更復雜的步驟和結構，因此體現出更高的晶元價格和較低的良率，再加上這種大型異構SoC所需要付出的知識產權成本，以及微軟為全新處理器進行的硬件改進設計，加入的全新加速器模塊，以上種種都導致XBOXX的SoC研發成本變得非常高昂。微軟用美元的符號“$"來代表處理器的研發成本，2013年面積為375mm的XBOXOne的處理器成本是一個“$”，隨后應用16nm工藝在一定程度上降低了成本，變成了“$一”，2017年的XBOXOneX以接近的芯片面積（367mm？）帶來了略微昂貴的成本也就是"$+”，但是現在7nm工藝下的XBOXX處理器成本上升至"$++"，顯然比之前更貴了。

另外，微軟還公布了處理器內部的分區域圖片。從圖片可以看出，XBOXX的處理器基本是以對稱的形式分布，處理器上部左右分別分布了一個Zen2的CCX，一個Zen2的CCX包含了4個CPU核心、每核心512KBL2緩存以及一個共享的4MBL3緩存。兩個CCX中間布置了多媒體硬件加速模塊（MultiMediaHWAccel）。

在GPU的左右角和CPU接近的部分，布置了SoCfabriccoherencyG6MCs，這個單元的作用微軟沒有特別介紹，但是從布局位置、名稱等方面來猜測，這個單元應該是跟內存控制器相關，可能是溝通CPU、GPU、多媒體模塊的統一數據總線控制器。

內存接口方面，XBOXX的SoC一共包含了8個GDDR6內存控制器，一共擁有20個通道，每個通道16bit，位寬320bit，在搭配等效頻率為14GHz的GDDR6內存時，其最大帶寬可達560GB/s。但是微軟在這里采用的是非對稱內存設計，總計16GB內存中，10GB部分的最大帶寬為560GB/s，其余的6GB最大帶寬僅為336GB/s。

除了分區域圖片外，微軟也給出了內部總線和模塊連接簡圖。根據圖片提供的信息，處理器內的所有部件都被掛接在可擴展數據總線（ScalableDataFabric）上，其中處理器是以CCX的方式掛接的，和AMD在銳龍處理器中的處理方式基本相同，其余部分包括20個通道的GDDR6內存控制器。按照帶寬來計算的話，每個內部通道的帶寬應該為56GB/s——在這里，微軟用相同的顏色和樣式標記了可伸縮數據總線和GPU部分的連接，也是采用了10個通道，但不確定帶寬規模和GDDR6連接總線是否相同。其余部分還包括系統連接器、I0連接器（提供了PCIe4.0x8的連接總線）以及媒體連接器。其中系統連接器掛接了HSP、MSP和音頻單元，媒體連接器掛接了顯示模塊、視頻解碼模塊等。需要注意的是，系統連接器和媒體鏈接器互聯互通，并且和HSP建立聯系，也可以通過總線和CPU、GPU產生數據交換。

在音頻處理方面，微軟特別介紹了XB0XX全新加入的音頻處理模塊，微軟宣稱這個模塊的單精度浮點計算能力甚至比之前XBOXOneX上使用的那個AMD八核處理器要強。整個音頻計算模塊包含CFPU2、Opus實時解碼器以及名為Logan的音頻計算模塊三個部分。其中CFPU2部分包含了2個4路FPSIMDDSP和4個浮點計算引擎，這些可編程的部件可以完成高吞吐量的卷積、FFT、混響和頻域音頻計算。Opus實時解碼器和采樣率轉換器能夠完成多達300個音源實時解碼計算處理。Logan核心則包含了4個DSP單元，支持SRC、aduioFX、XMA解碼等功能，主要用于完成超過300個音源的XMA硬件解碼的工作。微軟也解釋了為什么需要如此強大的音頻計算器，因為微軟認為音頻是游戲中影響真實性的重要部分，比如在一些場景中可能呈現三四百個不同位置的音源，并可能互相影響，只有擁有強大的計算效能才能完成這樣的計算并帶來不錯的效果。

XBOXSeriesX處理器GPU部分介紹

在本次會議上，微軟特別提到了GPU部分的設計。微軟坦承現在的XB0X已經處于落后的境地，XBOXX要實現的目標是更逼真的場景、更高的分辨率和更出色的幀率，要達到這一點需要在GPU架構上做出調整使其更有效率。

XBOXX采用的是AMD全新RDNA2架構的GPU，這是在之前的發布會中公布的內容，現在微軟帶來了更多的細節。技術特性方面，XBOXX的SoC一共擁有28個雙CU（DualCU）單元，但是目前只激活了26個。整個GPU架構采用了統一幾何引擎，支持Mesh渲染幾何引擎、支持分布式原語和光柵化處理、支持屏幕分區塊進行顏色和深度處理、支持多核控制指令、支持三級緩存和TLB等。這些新技術和新架構設計的引入，為XB0XX的GPU帶來了更好的效能和更出色的性能，并且在控制、有效性能輸出上也會更為靈活。

根據XBOXX的GPU宏觀架構圖來看，整個GPU部分通過共享5MB的L2緩存的數據總線和系統溝通，內部的GPU計算部分被分為4組，每組擁有7個雙CU單元，并搭配了相應的L1緩存、色彩和深度處理單元。在CU部分，每個雙CU單元擁有自己的L0緩存。通過L0、L1和L2，XBOXX的GPU組成了自己的三級緩存系統。此外，每兩組也就是14個雙CU單元共享光柵化、Prim、Shader輸入等單元。另外，整個GPU還設置了包括命令處理器、幾何單元、GDS、DMA、顯示輸出等功能模塊。

進一步去了解XBOXXGPU部分的CU單元，可以看到其與RDNA的CU單元設計基本上是一脈相承的。在RNDA中，兩個CU單元捆綁在一起稱為WorkGroupProcessor。而在XB0XX中，這種結構被稱為2CU。根據微軟的數據，每一個2CU中包含了CU0和CU1兩個CU組，一共擁有4個SIMD單元，搭配4個標量ALU單元，每個SIMD單元能夠執行32個標量FP32浮點的FMAD計算。那么對于一個2CU單元而言，就可以執行128個標量FP32的FMAD計算。在指令能力方面，每個2CU單元中的任意一個CU單元每周期都可以執行7個指令操作，包含2個矢量ALU指令、1個矢量數據指令、2個排序和2個控制指令。這樣一來，XBOXX的一個2CU單元每周期可以執行256個32bit的FP計算或者512個16bit的FP計算。另外，一個2CU單元中還包含了2個光線追蹤加速模塊和2個紋理模塊，以及2個L0緩存和共用的指令、排序單元等。

從XBOXX的整個GPU模塊來看的話，XBOXX中一共擁有28組2CU單元，總計3584個流處理器（每一個可執行標量FP32FMAD計算的單元被稱為一個流處理器，每個2CU單元有128個可執行標量FP32FMAD計算的單元），但是目前微軟只開啟了26個2CU單元，相當于只擁有3328個流處理器。保留的2個2CU單元也就是大約7%的性能目前微軟沒有說什么情況下會開啟，也沒有表示有何種用處。

在性能方面，微軟給出了部分性能增長的信息。比如2013年推出的XB0X0ne，計算能力為1.3Tflops，支持DX11.1，面向1080p的顯示設備。后期推出的XB0XOneX則面向2017年的4K分辨率設備，整體計算能力也增加至6Tflops。XB0X則面向的是8K分辨率的顯示設備或者4K@120Hz的顯示器，目前計算能力為12TFlops，其余包括帶寬、三角形計算能力和像素填充能力等都是前代產品的數倍之多。

XBOXSeriesX的特色技術

雖然硬件計算性能大幅度提升，但是考慮到目前的游戲計算需求很高，因此微軟還在XBOXX中加入了可變像素比率渲染VRS技術。這項技術的本質是將那些畫面中被嚴重遮擋或者玩家不太關注的區域采用較低分辨率的渲染來實現，這樣可起到既不影響顯示效果又節約計算效能的目的。在XBOXX中使用的VRS技術以XY軸劃分8x8像素的區域為基準區域，根據不同的區域位置和情況使用內容適應像素渲染或者動作適應像素渲染，其中前者是根據畫面內容來判斷縮減渲染的區域，比如玩家很難注意的部分內容。后者是根據畫面變化情況判斷縮減渲染的區域，比如多幀畫面快速變化時的動態變化內容。這些縮減渲染區域輸出1x2、2x1、2x2等不同的像素，整體畫面節約的像素比率在1倍到8倍之間。并且VRS技術會避免空洞、抖動或者輸出大面積的棋盤狀畫面。該技術和時間抗鋸齒（TAA）是完全兼容的，并且只消耗“微小”的面積成本，卻能夠帶來10%～30%的性能增幅。

另外一項功能被稱作取樣器反饋流（SFS），這個功能在之前文章中也介紹過，不過此次微軟詳細介紹了SFS的工作流程。SFS是XB0XX速度架構的重要技術組成部分，其目的是根據需要向內存中載入合適的紋理資源，而不是在任何情況下都載入全分辨率的紋理資源，后者會帶來存儲系統極大的壓力并且嚴重影響性能。其基本做法是在設置大尺寸紋理資源的時候，為其創建一系列小尺寸紋理資源，并且這些紋理資源都可以分塊進行處理。舉例來說，一個用于4K分辨率的全尺寸1024x1024紋理資源由大小為128x128的64個區塊組成，其中等尺寸紋理資源則可以由512x512紋理、16個大小為128x128的區塊組成，小尺寸紋理資源則由4個128x128的區塊組成，總尺寸為256x256。有了全尺寸、中等尺寸和小尺寸紋理資源后，GPU在場景需要加載紋理資源時，將使用上一幀畫面的結果來確定哪些紋理需要讀入內存，并且大多數紋理將以較低尺寸版本讀入，如果游戲需要高分辨率紋理，GPU也可以在下一幀將其替換，尤其是在出現較遠距離的視圖或者被遮擋、不重要的場景中，小尺寸紋理就會被使用。這樣一來，整個硬件系統的壓力就能得到一定程度的減輕，同時并不會影響視覺效果。微軟的數據顯示這項技術能帶來最多2.5倍的內存利用率提升以及60%的I0資源釋放，芯片面積耗費也很低，同樣是相當“超值”的技術。

最后一個非常重要的功能就是光線追蹤。微軟宣稱XBOXX的GPU以較小的代價支持了硬件級別的光線追蹤，帶來了大約3～10倍的性能提升，但是微軟又特別強調，光線追蹤是傳統游戲渲染方式的加強，光線追蹤和光柵化渲染并不是互相替代的關系。其GPU的峰值光線方盒處理速度為380G/s，峰值光線三角形處理速度為95G/s，硬件渲染器可以完成BVH遍歷過程或者材質渲染等。從微軟的描述來看，似乎AMD的RDNA2架構在光線追蹤的硬件實現上和英偉達的方案存在較大差異，因為微軟在這里又一次強調了芯片成本耗費，使用的單詞是"minor"，也就是較小的芯片成本耗費帶來了不錯的效能提升，相比之下英偉達在圖靈架構中首次實現了光線追蹤技術，其成本耗費雖然相對整個芯片面積來說不算太大，但是也不至于使用"minor”這樣的單詞，因此我們猜測AMD在RDNA2架構的硬件光線追蹤方面有自己獨特的設計，不過微軟和AMD并未給出太多相關信息。具體的差異可能要等到AMD發布RDNA2架構的時候才能進一步比較了。

除了上述內容外，XBOXX的另一個特色技術是支持機器學習，這個功能主要用于游戲角色行為和分辨率縮放等，微軟宣稱XB0XX的機器學習功能只使用了極小的面積耗費，帶來的性能提升也高達3～10倍。在機器學習功能的應用方面，分辨率縮放其實是和英偉達的DLAA深度學習抗鋸齒類似的技術，都是通過先建立一個較低分辨率畫面對比較大分辨率畫面縮放差異的模型后，再使用較低的分辨率來渲染游戲畫面，并通過機器學習模塊根據之前的模型對較低分辨率畫面進行放大。在一切適宜的情況下，這類技術能夠顯著降低高分辨率畫面的圖形渲染性能需求（畢竟實際運算只以較低分辨率進行），幅度甚至可達30%。除了這個功能外，另一個機器學習應用也就是角色行為則是非常少見的，這意味著未來游戲中的角色人物有可能以比較智能的方式和玩家對話，甚至選擇游戲走向或者游戲結果等，這是比較令人驚喜的功能。另外一些新功能還包括32bitHDR、新的虛擬化支持等。

XBOXSeriesX準備好了

從本文的介紹可以看出，微軟在XB0XSeriesX上帶來了大量優秀設計，其中最核心的是AMD和微軟聯合研制的SoC，堪稱目前最強大的SoC產品之一，其性能和功能表現都非常出色，再加上微軟在系統和軟件上的優勢，以及微軟XB0X在業內的地位，有理由相信未來XBOXSeriesX會帶給玩家耳目一新的游戲體驗。從技術端來說，微軟已經做得足夠好，整個系統架構完全是面向下一代游戲而設計。需要指出的是，今天本文介紹的特色技術和設計依舊只是這個系統的一小部分內容，包括VR、XBOX新的游戲系統以及未來游戲模式等內容都沒有太多詳細的資料，畢竟這是Hotchips年會，主要面向的是系統和芯片。現在，XB0XSeriesX已經準備好了，對今年內上市的這款游戲主機，人們需要關心的除了價格，剩下的就是看看索尼會在PS5上帶來怎樣的回應了。