En teknisk djupdykning i Xbox Series X

Microsoft har lyft på skynket för Xbox Series X och dess på pappret imponerande specifikationer. I en förhållandevis kompakt spelkonsol lyckas företaget klämma in hårdvara som matchar dagens högpresterande PC-datorer. Microsofts avtäckande av Xbox Series X sällskapades av en diger mängd detaljer och specifikationer, något som inte fick plats i den ursprungliga nyheten. SweClockers går därför in på djupet i detaljerna med denna djupdykning.

Högpresterande Zen 2 tar plats i en konsol

Hjärtat i Xbox Series X är en systemkrets (SoC) från AMD som tillverkas på TSMC:s förbättrade 7-nanometersteknik. AMD levererar här arkitekturer för både processor- och grafikdel. Processordelen består av åtta Zen 2-kärnor, där sju är tillgängliga för spelutvecklare och en reserveras för operativsystemet.

Processorns klockfrekvens arbetar i 3,8 GHz när fletrådning (SMT) är inaktivt och 3,6 GHz med fletrådning aktiverat. Konsolens unika kylarlösning innebär att dessa klockfrekvenser kan köras ihållande över tid utan att klockas ned när systemet belastas. Utvecklare kan fritt välja mellan högsta möjliga klockfrekvens eller stöd för flertrådad beräkning efter behov.

Enligt Microsofts uppgifter medför Zen 2-processorn fyra gånger högre beräkningskapacitet ställt mot Xbox One. Då processorn i Xbox One baseras på AMD:s föråldrade Jaguar-arkitektur kommer framstegen i Zen 2 medföra ytterligare prestandavinster över tid i takt med att utvecklare optimerar för detta.

RDNA 2 – grafikarkitektur av senaste snitt

Till skillnad från föregångaren bestyckas Xbox Series X med en toppmodern grafikdel som matchar högpresterande motsvarigheter på PC-sidan. Den RDNA 2-baserade grafikdelen består av 52 beräkningsenheter (CU) och totalt 3 328 streamprocessorer. Dessa körs i klockfrekvensen 1 825 MHz, vilket är ovanligt högt för en grafikdel som tar plats i en kompakt spelkonsol. Även denna klockfrekvens kan köras ihållande utan att klockas ned vid belastning.

Totalt ger detta Xbox Series X en teoretisk beräkningskraft på 12 TFLOPS, vilket sett till teoretiska siffror är dubbelt upp ställt mot nuvarande Xbox One X och högre än 9,7 TFLOPS för AMD Radeon RX 5700 XT. Denna teoretiska beräkningskraft tar dock inte de arkitektoniska framstegen i beaktande och utvecklare kommer med tiden kunna utvinna mer än dubbla prestandan ställt mot Xbox One X.

Denna kapacitet låter Xbox Series X driva spel i upplösningen 4K med bilduppdatering på 60 Hz, med tak för att bilduppdateringen kan drivas i 120 Hz. Upplösning, grafisk detaljrikedom och bilduppdatering är upp till utvecklarna själva att välja beroende på vilka egenskaper som prioriteras med aktuell speltitel.

Primärminnet – GDDR6 med Microsoft-sås

Likt tidigare rapporter angivit utrustar Microsoft Xbox Series X med 16 GB GDDR6-minne. Denna minnespool delas upp mellan primärminne, grafikminne och en portion helt tillägnad operativsystemet. Grafikminnet tilldelas 10 GB vilket jobbar över en 320-bitars minnesbuss.

Detta ger en total bandbredd om 520 GB/s. Bandbredden för primärminnet och delen reserverad för operativsystemet skruvas ned något till 336 GB/s. En rapport från Eurogamer anger att Microsoft och partnern AMD byggt in stöd för felkorrigering (ECC) i minneslösningen, något som inte stöds av GDDR6-standarden.

Lagring – SSD över PCI Express 4.0

Diskussionen om nästa generations konsoler har på förhand till stor del handlat om lagringen, där flashbaserad SSD-lagring för första gången tar ensamt ansvar för systemlagring. I Xbox Series X kommer detta i form av en specialutformad SSD ansluten via NVM Express-gränssnittet som kommunicerar över PCI Express 4.0.

Lagringskapaciteten når förhållandevis rymliga 1 TB och bandbredden mäter in på 2,4 GB/s när okomprimerad rådata läses in och tar steget upp till 4,8 GB/s med komprimerad data. SSD-lagringen har en förhållandevis hög effekt på 4 W och innesluts därför av en egen värmesköld.

Xbox Velocity Architecture – ett ekosystem för lagring

Att de nya konsolerna fokuserar på snabb lagringsprestanda med SSD-enheter i fokus har varit känt sedan länge. Microsofts ansats till lagringsfrågan går dock bortom att bara bestycka systemkretsen med flashlagring och nöja sig med det. Företaget har utformat en infrastruktur av lösningar för att skyffla data vilket företaget kallar Xbox Velocity Architecture.

Denna består av ett flertal komponenter, vilka utöver SSD-lagringen även utgörs av ett dedikerat hårdvarublock för komprimering och avkomprimgering av data. Utvecklare får tillgång till den nya kapaciteten via gränssnittet Direct Storage och tekniken Sampler Feedback Streaming (SFS).

SFS är som namnet antyder en teknik som låter utvecklare ladda in delar av texturer till grafikminnet på en betydligt mer finmaskig nivå än vad som varit möjligt tidigare. Utvecklare kan här definiera vilka delar av texturerna som behövs för en given scen, och endast ladda in dessa från lagringen till minnet.

Detta blir en nyckelfunktion då en enskild textur i 4K-upplösning kan ta upp så mycket som 8 MB i grafikminnet, vilket snabbt äter upp tillgängligt minne då scener i spel typiskt består av tusentals texturer. Det sparade fotavtrycket på minnet innebär att utvecklare kan få plats med två till tre gånger så mycket data i minnet, samtidigt som mindre data behöver laddas från SSD-lagringen.

Detta underlättas ytterligare av gränssnittet Direct Storage, vilket utformats för att radikalt reducera belastningen på processorn och I/O när data avkomprimeras och strömmas i bakgrunden. Traditionellt sett kan dessa I/O-beräkningar belasta flera processorkärnor, men Direct Storage belastar enligt Microsoft blott en tiondel av en enda processorkärna.

Den lägre belastningen på processorn innebär att den får frigjorda resurser att lägga på annat, exempelvis på fysikberäkningar. Direct Storage gör premiär i Xbox Series X, men Microsoft meddelar att tekniken även kommer leta sig över till DirectX för Windows.

Expanderbar lagring via minneskort

Utöver den snabba interna lagringen bestyckas Xbox Series X även med minneskortsläsare för flashbaserad extern lagring. Tekniken är utformad i samarbete med Seagate där små minneskort, som påminner om platta USB-stickor till utformningen, ansluts till en minneskortsläsare. Lösningen bygger på en proprietär teknik som till fullo kan utnyttja bandbredden i Xbox Velocity Architecture.

Det innebär att användaren kan kopiera Xbox Series X-spel till minneskortet och på så sätt enkelt flytta med sig spelbiblioteket till en annan Xbox Series X-konsol. Konsolen stöder även traditionella externa lagringsenheter över protokollet USB 3.2, men då detta inte erbjuder den bandbredd som krävs för Xbox Series X-spel är denna typ av extern lagring begränsad till spel för äldre Xbox-generationer.

Quick Resume – omedelbart spelande

Snabb SSD-lagring och teknikerna som utgör Xbox Velocity Architecture ligger till grund för det nya systemet Quick Resume. Som namnet antyder gör det möjligt att pausa ett spel som körs, vilket då sparas som en virtuell avbild på det snabba lagringsutrymmet. En liknande funktion finns tillgänglig på Xbox One-familjen, men med Xbox Series X kan multipla spel pausas och återupptas direkt där spelaren slutade.

Med den höga bandbredden och de snabba Zen 2-baserade processorkärnorna kan spelaren i realtid växla mellan aktiva spel. När spelaren växlat från ett spel till ett annat sker en kort laddningstid när spelets virtuella avbild ska laddas från lagringen. Enligt Microsofts videodemonstration handlar laddningstiden om några sekunder.

De virtuella avbilder som genereras för pausade spel kan tack vare den höga lagringsprestandan sparas direkt till lagringen, vilket innebär att det inte handlar om flyktiga avbilder som försvinner när konsolen stängs av eller startas om. Spelaren ska alltså kunna växla mellan pausade spel även när systemet startats om.

Uppgraderande bakåtkompatibilitet

Med Xbox Series X blir konsolen inte bara bakåtkompatibel med föregående generation utan uppgraderar även spel för de äldre systemen utan krav på handpåläggning från utvecklaren. En av dessa uppgraderingar kallar Microsoft för Native Resolution, vilken helt enkelt går ut på att utvalda Xbox One-spel renderas i äkta 4K-upplösning.

Detta appliceras även för spel som inte utformats för den högre upplösningen, men Microsoft har inte gått in på detalj om hur urvalet görs för speltitlar som får den automatiska uppgraderingen. En annan teknisk tillputsning som sker är att tidigare Xbox One-spel kan uppgraderas till HDR även om de inte utformats med stöd för detta.

Uppgraderingen från standardomfång (SDR) till högt dynamiskt färgomfång (HDR) sker via en rekonstruktionsteknik. Rekonstruktionen sker helt via systemets mjukvara och kräver ingen handpåläggning från utvecklarens håll, vilket innebär att både påkostade stortitlar och mindre indiespel kan bestyckas med HDR-stöd i efterhand. Rekonstruktionen ska också ske utan märkbar belastning på processorn eller grafikdelen enligt Microsoft.

Hårdvarustödd ray tracing med DXR 1.1

Att Xbox Series X likt konkurrenten Playstation 5 får stöd för hårdvaruaccelererad ray tracing är känt sedan tidigare. Stödet i Xbox Series X bygger på den senaste versionen av gränssnittet DirectX Raytracing (DXR), där version 1.1 tillför förbättringar såsom mer effektiv exekvering av ray tracing-beräkningar och bättre stöd för högupplösta texturer.

Mer effektiv exekvering kommer från att Microsoft tillämpar en anpassningsbar metod där antalet ljusstrålar som beräknas bestäms vid exekvering, vilket gör det möjligt att anpassa belastningen efter mängden tillgängliga resurser. DXR 1.1 gör det också mindre komplicerat för utvecklare att implementera stöd för tekniken.

En intressant aspekt med ray tracing-lösningen i RDNA 2-arkitekturen i Xbox Series X är att beräkningarna inte stjäl resurser från grafikdelens 12 TFLOPS beräkningskapacitet. De vanliga shaderprocessorerna kan utföra beräkningar parallellt med ray tracing-funktionerna.

Microsoft menar att detta innebär en teoretisk beräkningskapacitet på 25 TFLOPS när ray tracing beräknas sida vid sida med övriga beräkningar. Utvecklare som vill klämma ut den sista droppen ray tracing-prestanda kan kringgå Microsofts DXR-gränssnitt och jobba "direkt mot hårdvaran", och på så sätt utveckla specialutformade ray tracing-lösningar baserat på modeller som inte stöds i DXR.

Mesh Shading – billigare komplexa objekt

En funktion som fås från grafikarkitekturen RDNA 2 är något som kallas Mesh Shading. Rådande standarder för beräkning av geometri bygger på fixerade funktioner för att generera geometri och nedbrytning av denna med hjälp av tesselering. Med Mesh Shaders får utvecklare mer flexibel kontroll över hur geometri genereras.

Utöver större flexibilitet leder detta till möjligheter för utvecklare att prestandaoptimera exekveringsprocessen (eng. pipeline) för geometri, vilket även inkluderar optimering av hur mycket grafikminne beräkningarna upptar. Det låter också utvecklare öka detaljrikedomen för objekt och animationer utan stor prestandapåverkan.

Direct ML – smartare spellogik

En annan modern funktion som förs över från DirectX är vad som kallas Direct ML, ett gränssnitt som ger utvecklare tillgång till ett gränssnitt för maskininlärning. Enligt Microsoft kan detta användas för att exempelvis förbättra artificiell intelligens för icke spelbara karaktärer (eng. NPC) i spel.

Till skillnad från Nvidias motsvarighet DLSS för Turing-arkitekturen, där dedikerade hårdvaruenheter vid namn Tensor-kärnor används för beräkning av maskininlärning, förlitar sig Microsofts och AMD:s lösning på grafikdelens streamprocessorer. Dessa kan exekvera 32-, 16-, 8- och 4-bitars flyttalsberäkningar, en lösning som har sitt arv i Rapidly Packed Math som introducerades med AMD:s GCN 5.0-arkitektur i Vega-familjen.

Kapaciteten för maskininlärning i RDNA 2 har sitt arv i Rapidly Packed Math från GCN 5.0 i AMD Vega-familjen.

Genom att utnyttja Direct ML och de RDNA 2-baserade streamprocessorerna får utvecklare tillgång till en kapacitet om 24 TFLOPS för 16-bitars flyttalsberäkningar, och 97 TOPS (trillion operations per second) för 4-bitars integerberäkningar. Kreativa utvecklare kan dock utnyttja gränssnittet för att förbättra andra egenskaper såsom animationer och generell bildkvalitet baserad på maskininlärning.

De variabla renderingarna

Utöver att framstegen i beräkningskapacitet introducerar Xbox Series X även stöd för moderna tekniker sett till hur bildrutor renderas och synkroniseras med ansluten bildskärm. Förändringen av hur bildrutor renderas kommer i form av tekniken Variable Rate Shading (VRS). Här koncentreras grafikdelens beräkningsresurser på att rendera de viktigaste delarna av bilden, medan mindre viktiga delar renderas med lägre kvalitet.

► Teknikfokus: Flexibel bildkvalitet med Variable Rate Shading (VRS)

Då de delar som renderas med lägre kvalitet typiskt finns utanför de delar av bilden som spelarens ögon koncentrerar sig på blir den visuella försämringen försumbar. Det frigör också beräkningsresurser som kan användas för att bibehålla hög grafisk kvalitet i bildens viktigaste delar, samtidigt som upplösning och bilduppdatering kan hållas högre än vad som skulle vara möjligt om alla delar av bilden behandlas lika.

Nästa bildrelaterade modernitet kallas Variable Refresh Rate (VRR), vilket som namnet antyder handlar om att konsolen får stöd för synkronisering av bildfrekvens mellan grafikdel och ansluten bildskärm. VRR är en del av HDMI 2.1-specifikationen, vilken Xbox Series X stöder, och när konsolen ansluter till en HDMI 2.1-kompatibel bildskärm synkroniseras skärmens bilduppdatering med hur många bilder per sekund konsolen orkar rendera.

Spatial Audio och Project Acoustics

Microsoft har tidigare bekräftat att Xbox Series X bestyckas med dedikerad hårdvara för 3D-ljud. Microsoft kallar systemet för Spatial Sound och som namnet antyder används ljudkretsen till att beräkna ljud i 3D-rummet.

Bildkälla: Digital Foundry

Den dedikerade ljudkretsen innebär att dessa beräkningar får öronmärkta resurser som inte tas från konsolens processor. Sett till ljudstandarder får Xbox Series X fullt stöd för Dolby Atmos, DTS:X och Windows Sonic. Stöd för Windows Sonic finns sedan tidigare i Windows 10 och Xbox One-konsolerna.

På mjukvarusidan kompletteras ljudkretsen av något Microsoft kallar Project Acoustics. Det handlar om ett projekt inom Microsoft där forskare utvecklat realistiska modeller för hur ljud fortplantar sig i 3D-miljöer. Modellerna definierar hur ljudkretsen kan användas för att beräkna hur ljudvågor interagerar med komplexa 3D-miljöer, återigen utan att belasta systemets processor.

Minskad latens i flera steg

Hur responsivt ett system upplevs beror inte bara på beräkningskapaciteten och bilduppdateringen. Latensen mellan spelarens kommandon och det som visas på skärmen spelar också stor roll, och Microsoft tacklar frågan genom tre huvudsakliga åtgärder för minskad latens.

Med Xbox Series X har synkroniseringen mellan konsol och handkontroll stuvats om till vad Microsoft kallar Dynamic Latency Input (DLI). Det går ut på att systemet kontinuerligt övervakar både analoga och digitala kommandon, så att dessa finns redo när systemet begär nya kommandon. Företaget säger sig också åstadkommit detta utan att offra handkontrollens batteritid.

Nästa metod för reducerad latens kallas Auto Low Latency Mode (ALLM). Detta är en funktion som automatiskt registrerar om en ansluten enhet stöder ett lågt latensläge och aktiverar detta om ett sådant upptäcks. Moderna skärmar och TV-apparater har börjat utrustas med ALLM-funktion och med Xbox Series X aktiveras alltså låglatensläget automatiskt när den kompatibla skärmen ansluts.

Den tredje metoden för att reducera latens mellan spelaren och resultatet på skärmen ligger i bruket av Xbox Wireless Protocol. Detta är det Wifi-baserade trådlösa nätverksprotokoll Microsoft sedan tidigare använder för kommunikation mellan Xbox-handkontrollerna och konsolen. Då Xbox One-familjen använder samma protokoll kan spelaren använda tillhörande handkontroller och uppnå samma låga latens som Xbox Series X-kontroller erbjuder.

Smartare leveranser över konsolgenerationer

Microsofts strategi med nästa konsolgeneration är att den ska leva sida vid sida med nuvarande Xbox One-familjen. Det innebär att spel kommer lanseras för båda konsolgenerationer, vilket också innebär att utvecklare behöver leverera digitala versioner anpassade för respektive målkonsol. Microsoft underlättar denna tudelade strategi med något som kallas Smart Delivery.

Spel som stöder Smart Delivery levererar digitala resurser anpassade för målsystemet. Om en spelare köper Xbox One-versionen av en speltitel optimeras de digitala resurserna för denna konsol, med en uppsättning för Xbox One och en uppsättning för Xbox One X. Om spelaren går över till en Xbox Series X anpassas de digitala resurserna för att dra nytta av systemets mer kapabla resurser utan extra kostnad. Smart Delivery blir tillgängligt för alla utvecklare att använda.

Saknar du en genomgång av en funktion i Xbox Series X? Dela med dig i kommentarerna så kan genomgången utökas.