Xbox快速架构：Xbox Series X上的新世代科技助力游戏创新

科普
2020-07-15发布于资讯
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今日，微软 Xbox Series X 项目管理总监 Jason Ronald 再次发布博客文章，继续为玩家讲解关于 Xbox Series X 的相关技术问题，本次的主题为 —— Xbox 快速架构。
Xbox Series X 设计初衷
当我们开始设计 Xbox Serie X 时，我们渴望通过新世代的创新构建我们最为强劲的主机，并提供在当下世代主机中从未有过的、不间断的持续性能，这前所未有。为了实现这一目标，我们知道我们需要分析系统的每个组件，以突破传统主机性能和设计的限制。在 Xbox Series X 的设计中，确保我们在功率、速度和性能之间取得卓越的平衡，同时确保任何组件都无法限制全球最佳创作者的创意雄心，从而使他们能够提供前几代主机不可能实现的、真正具有变革性的新世代游戏体验，是至关重要的。
Xbox Series X 的核心是我们的定制处理器，利用合作伙伴 AMD 提供的最新 RDNA 2 和 Zen 2 架构，提供一流的新世代处理器，提供超过 12 TFLOPs的 GPU 功率和超过 4 倍于 Xbox One X CPU 处理能力。 Xbox Series X 包含任何具有 16GB GDDR6 内存的新世代主机的最高内存带宽，包括 10GB 的 GPU 优化内存（560 GB/s，使处理器保持无瓶颈）。当我们分析存储子系统时，很明显，我们已经到达了传统硬盘技术的上限，为了实现我们的设计初衷，我们需要从根本上重新思考和彻底改变我们打造 Xbox Series X 的方式。
助力新世代游戏设计及创意愿景
现代游戏需要大量的数据来创造供游戏玩家体验的逼真世界。为了使处理器能够以最佳性能工作，必须将所有这些数据从存储加载到内存中。大规模、动态的开放世界环境和生机勃勃、持续变化的世界以及密度和多样性的爆炸式增长只会增加所需的数据量。将环境网格数据、高多边形角色模型、高分辨率纹理、动画数据、音频和视频源文件等功能一起组合在一起，为玩家提供最为身临其境的游戏环境。
尽管现代游戏引擎和中间件能够将游戏素材从本地存储中流入内存，但游戏设计人员仍经常需要创建狭窄的路径、走廊或电梯，以绕过传统硬盘和 I/O 管道的局限性。这些游戏内元素通常用于掩盖从内存中卸载前一个区域的素材，同时加载新素材以用于下一个游戏空间。当我们讨论开发人员对新世代游戏的渴望以及当下世代技术的局限性时，这一挑战将继续呈指数级增长，进一步限制真正变革性游戏创作的雄心壮志。这一反馈影响了 Xbox 快速架构的设计和开发。
隆重介绍 Xbox 快速架构
Xbox 快速架构的设计初衷就是成为新世代游戏素材流的终极解决方案。传统 I/O 子系统的这种彻底改造直接影响了 Xbox Series X 设计的各个方面。如果我们的定制设计处理器位于 Xbox Series X 的核心，Xbox 快速架构就是Xbox Series X 的灵魂。通过硬件、软件创新的深度集成，Xbox 快速架构将通过新世代游戏为玩家提供前所未有的游戏体验。
Xbox 快速架构包含四个主要组件：我们的自定义 NVME SSD、硬件加速解压模块、全新的 DirectStorage API 和采样器反馈流 （SFS）。
让我们来详细了解一下这些组件：
自定义 NVME SSD: Xbox 快速架构的基础是我们的定制 1TB NVME SSD，提供 2.4 GB/s 的原始 I/O 吞吐量，是 Xbox One 吞吐量的 40 倍以上。PC 中使用的传统 SSD 通常会随着热量增加或执行驱动器维护时降低性能。Xbox Series X 中的自定义 NVME SSD 旨在实现一致、持续稳定的性能，而不是峰值性能。开发人员将获得时刻都有保证的 I/O 性能水平，他们可以依靠这种性能水平设计和优化他们的游戏，从而消除他们当前必须克服的障碍和约束。这种一致、持续稳定的性能水平也适用于希捷可扩展存储卡，无论游戏位于何处，您都能获得完全相同的游戏体验。
硬件加速减压: 为尽量减少下载时间以及每个游戏所需的存储量，游戏程序和素材都经过压缩。通过 Xbox Series X 对于行业标准 LZ 解压器的硬件加速支持，以及专为名为 BCPack 的纹理数据而设计的全新的专有算法，为开发人员提供了两全其所用的优质资源，无需在质量或性能方面损失任何成本。由于纹理数据占游戏总大小的很大一部分，除了通用 LZ 解压器之外，还针对纹理数据进行了专门构建的算法，因此两者都可以并行使用，以减少游戏包的整体大小。假设压缩比为 2：1，Xbox Series X 为游戏提供了有效的 4.8 GB/s I/O 性能，大约是前代主机 I/O 性能的 100 倍。而要在软件中提供类似级别的解压性能，需要使用超过 4 个 Zen 2 CPU 内核。
全新 DirectStorage API: 标准文件 I/O API 是 30 多年前开发的，几乎没有变化，而存储技术自那时以来已取得了重大进展。当我们分析游戏数据访问模式以及使用 SSD 技术的最新硬件进步时，我们知道我们需要提升最先进的技术，将更多的控制权掌握在开发人员手中。我们在 DirectX 系列中添加了一个全新的 DirectStorage API，为开发人员提供了对 I/O 操作的精细颗粒控制，使他们能够建立多个 I/O 队列，确定优先级并最大限度地减少 I/O 延迟。这些直接、低级别的访问 API 可确保开发人员能够充分利用硬件提供的原始 I/O 性能，从而几乎消除加载时间或快速旅行系统，让快速旅行做到真正意义上的快速。
采样器反馈流 (SFS): 采样器反馈流（SFS）是一项建立在 Xbox 快速架构其他先进技术之上的全新创新。游戏纹理根据不同细节和分辨率级别进行优化，称为 mipmap，并且可以在渲染过程中根据对象与玩家的距离使用。当对象靠近玩家时，纹理的分辨率必须提升到玩家所期望的清晰细节和视觉效果。然而，与在场景中较远的对象时可以使用的较低分辨率的 mips 相比，这些较大的 mipmap 需要大量的内存。现阶段，开发人员必须在内存中加载整个 mip 级别，即使他们可能只采样整个纹理的很小一部分。通过添加到 Xbox One X 的专用硬件，我们能够分析 GPU 的纹理内存使用情况，我们发现 GPU 通常访问内存中需要加载的纹理数据的不到 1/3。单个场景通常包含数千种不同的纹理，导致有效内存和 I/O 带宽利用率因使用效率低下而严重损失。通过这一洞察，我们能够创建和添加新功能到 Xbox Series X  的 GPU，使其只按需将 mip 级别的子部分加载到内存中，及时满足 GPU 的数据需求。这一创新使平均超过原始硬件功能的有效 I/O 吞吐量和内存使用量提升至约 2.5 倍。SFS 在可用系统内存和 I/O 带宽上提供了有效的乘数，从而显著提高了内存和 I/O 吞吐量，使您的游戏更加丰富、更具沉浸感。
通过 I/O 吞吐量的大幅增加、硬件加速减压、DirectStorage 以及采样器反馈流提供的显著效率提升，Xbox 快速架构将使 Xbox Series X 能够提供远远超出原始硬件配置的高效性能，从而在游戏需要时提供对存储在 SSD 上的 超过100GB 的游戏数据的直接、即时和低级别访问。这些创新将开启游戏体验、体验深度和沉浸感新篇章。
开启新世代体验
所有这些内容对于玩家而言意味着什么呢？随着业界最具创造力的开发人员和中间件企业开始探索这些新功能，我们期待在接下来的新世代中实现重大创新，因为这种革命性的新架构能够实现游戏领域从未考虑过的全新的应用场景。 Xbox 快速架构提供的表现和功能达将达到到全新水平，远远超出了硬件本身的原始配置。Xbox 快速架构从根本上重新思考开发人员如何利用 Xbox Series X 所提供的硬件。从全新的渲染技术到近乎消失的加载时间，到更广阔、更生机勃勃的动态世界，作为一个玩家，您可以选择您想要探索的体验。我们对已经看到的早期结果非常兴奋。此外，Xbox 快速架构还开辟了更多机会，并在平台级别实现了新的创新，例如，快速唤醒使您能够在多个游戏中立即恢复各自的进度，从而改善 Xbox Series X 上所有玩家的整体游戏体验。
我们迫不及待地想要让世界各地的玩家从今年冬季开始在 Xbox Series X 上感受这些新世代的游戏体验。