主機界小巨人! 微軟公布「Xbox Series S」深度技術解析與開發者專訪揭密

(本新聞經日本 4Gamer.net 同意授權轉載) 2020-09-22 17:30:33 原文出處

  Microsoft 即將推出的次世代遊戲主機「Xbox Series X」,有一個關係密切的弟弟「Xbox Series S」。作為不搭載光碟機的「純數位版主機」,在 Xbox 歷史上最小的機體裡裝進眾多次世代要素,而且還將價格壓在 32980 日圓(編按:台灣為新台幣 9480 元),因此受到許多玩家的關注。
 
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  這次 Microsoft 以「Xbox Series S Tech Deep Dive」為題招開一場技術說明會議,筆者在會中獲得能和 Microsoft 技術顧問艾德華‧高森(Andrew Goossen)以及 Xbox Program Management 總監傑森‧羅納德(Jason Ronald)深入長談的機會,以下便為大家介紹會議和專訪內容。
 
  Xbox Series S 和 Xbox Series X 一樣搭載基於 AMD Zen 2 微架構的八核心 CPU,單執行緒運作的時脈則是 Xbox Series X 3.8GHz、Xbox Series S 3.6GHz,多執行緒運作的時脈是前者 3.6GHz 後者 3.4 GHz。
 
  雙方都搭載 8MB 的 L3 快取,單就中央處理器性能來說是「Xbox One S」的四倍以上。另外 Xbox Series X 的系統單晶片(SoC)大小為 360 平方公釐(mm2),Xbox Series S 197 平方公釐。
 
  比較 Xbox Series X 和 Xbox Series S 的性能時,會發現兩者間最大的差距是在 GPU 上。雙方都搭載由 AMD 製造的客製化 RDNA 2 GPU,但 Xbox Series X 搭載的晶片有 52 個 CU,運作時脈為 1.825GHz,相對之下 Xbox Series S 僅有 20 個 CU,運作時脈則為 1.565 GHz。所以就圖形處理器的效能來說,前者達到 12.15 TFLOPS 而後者則是 4 TFLOPS。可能是因為更重視讓更新頻率維持在 60Hz(最高 120Hz)的關係,所以 Xbox Series S 並不支援所謂的 4K 解析度(3840x2160),最高僅支援到相當於 2K 解析度的 1440p(2560x1440)解析度。
 
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  當然想要親自體感到這些畫面上的差界,前提是要有一台支援 120Hz 更新率和 4K 解析度的顯示器。如果使用更新率 60Hz,最高支援 HD 解析度的顯示器,那就能夠享受到不遜於 Xbox Series X 的遊戲體驗才對。
 
  PlayStation 5 主機在資料的壓縮和解壓縮上採用名為「Oodle Kraken」的技術,而 Xbox Series X / S 則是採用名為「BCPack」的技術。雖然在這次技術會議上沒有詳細說明,不過可以知道是能夠最大限度發揮主機搭載之客製化 NVMe SSD 能力,大幅縮短遊戲讀取時間的技術,能夠在還沒破萬的遊戲主機上享受到這種技術,的確是很吸引人的魅力。
 
  而且 Xbox Series S 在畫面技術上還擁有如下方表列出的特徵,這些全都是構成次世代 Xbox 基礎架構的技術。除了前面提到的不支援 4K 解析度和 120Hz 畫面更新頻率外,和 Xbox Series X 似乎沒有太大的差距。
 
  • DirectX Raytracing(DXR)
    透過追蹤從光源發射出去的光線,去模擬在特定地點上應可觀測到之畫面的技術
  • Variable Rate Shading(VRS)
    可變速率著色技術,藉由讓著色器同時處理複數像素的方式,來減低對圖形處理器的負擔
  • Mesh Shading
    將現有的 Vertex Shader 和 Primitive Shader 視為同一程序加以處理的全新繪圖管線設計
  • Sampler Feedback Streaming(SFS)
    活用事前已經計算好的框架情報,優先請求 Mipmap 必要的部份載入記憶體
  • DirectML
    內含在 DirectX12 技術中,用來執行機械學習的 API,應該是會用來執行硬體層面的 4K 昇頻
 
  在這次會議上也介紹了主機使用的音響系統,除了 Xbox One 就已經對應的虛擬音效系統「Windows Sonic」外,還原生支援「Dolby Atmos」與「DTS: X」技術。擁有計算包含耳廓、頭部和肩膀在內之周邊物體會造成的聲音變化,以傳輸函數方式來展現的「頭部相關傳輸函數(HRTF)」,以及能夠重現出立體音響空間的「空間音效(Spatial Sound)」等等的降負載處理功能。
 
  空間音效在虛擬實境頭戴顯示器平台的軟體上,已經是很普遍被利用的技術,最近歐美大型發行公司推出的招牌作品也大多會支援,以日本產的遊戲來說,也有《惡靈古堡 2 重製版(バイオハザード RE:2)》等作品支援。在中央處理器裡當然也有分割出專門的音效硬體處理區域,但因為 Xbox Series S 的中央處理器甚至比 Xbox One X 還要高性能,所以想要在玩次世代遊戲作品時能更有臨場感的玩家,最好是準備一套高品質的耳麥或是耳機會比較好吧。
 
  在這次的技術會議中,還公開了一段針對 Sampler Feedback Streaming 的技術展示影片。因為遊戲主機每次世代交替,圖形處理器的性能就會有飛躍性的提昇,遊戲開發者自然會想要創造出更美麗的畫面,但是記憶體容量提昇程度相較之下顯得比較緩慢,所以如何提昇材質讀取效率就是一大關鍵。
 
  於是 Xbox 的技術開發團隊趁這次轉換到次世代主機的時機,探討應該要怎麼做才能夠減少應讀取之材質容量,最後得到的解答就是 Sampler Feedback Streaming。
 
  這是利用一個名為「Partial Residency」(又稱為「PRT」)的材質技術,這是將材質整合為一整張比較大型的圖塊後再通過管線,藉此來減低需處理次數的手法。這項技術最早是在 2012 年初就被 AMD 推出的「Radeon HD 7970」採用,之後也被加入 Direct 3D 應用程式介面裡。
 
  但是因為找不出如何判斷應該要在什麼時候讓哪一個圖塊通過的判斷標準,所以現在已經算是快要被放棄的技術,但是只要利用 Sampler Feedback Streaming 就可以解決這個問題。
 
  只要利用 Sampler Feedback 手法,就可以在渲染特定場景時測量出色塊著色器,在必需材質的中級領域裡收集到理想的設定資料。接著就可以讓色塊使用收集到的資料,依照當時場景必須要如何正確渲染,去讀取材質的必要部份,這樣就能夠讀取到更為細分化的材質資料。
 
  利用這個手法,不僅能夠讓處理效率獲得飛躍性的提昇,在記憶體和儲存空間使用上也能帶來更好的效果。遊戲開發者能夠利用節約下來的資源,增加使用材質的種類與細節,或者是把記憶體使用在音效、動畫或是人工智慧等其他系統需求上。
 
  這點與其說是 Sampler Feedback Streaming 的特徵,其實還不如說是在「Xbox Velocity 架構」下,讓硬體和軟體層面直接連結在一起的客製化 SSD、壓縮技術,以及 Direct Storage 應用程式介面等技術互相結合相輔相成,所產生的最後結果。
 
  這次在技術會議上公開的示範影片,舞台是設定在一個類似沒有人的幼稚園教室一樣的地方,似乎使用了超過 10GB 大小的材質檔案。如果是採用舊有的材質串流引擎,那就必須要把視野範圍內所有物件使用的材質通通計算出來,把 Mipmap 等級的資料也載入記憶體裡面,這時就會有被技術人員稱為「材質預算」,可能會因為分配過多記憶體而載入太多材質檔案,又過是反過來因為載入太少材質檔案而必須要花過多時間進行修正的問題產生。
 
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    出自 Sampler Feedback Streaming 展示影片,畫面右上方顯示的計量表,自上而下為一般 MIP 串流時、SFS 未開啟 Xbox Velocity 架構下時,以及 SFS 開啟 Xbox Velocity 架構下時。在 XVA / SFS 雙開的環境下,可以造就有如電視劇一樣即時性的動畫演出片段,達成更有戲劇性的對話和演出效果
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  • 過去最常使用的材質串流技術「MIP Map」下,會先顯示出解析度較低的材質,再配合鏡頭角度移動更換為高解析度的材質,但隨著使用材質的解析度日漸提高,開始碰到上限。上圖為改用 Sampler Feedback Streaming 技術的情況
 
  透過 Sampler Feedback Streaming 技術,可以最佳化載入記憶體的資料,達到高速渲染的目標。這次播放的技術展示影片,是將速度放慢到四千分之一倍,每次移動鏡頭讓場景發生變化時,就可以看到呈塊狀的材質產生變動。當然實際在遊戲裡使用的場景,場上應該會有更多物件存在,只不過從這次技術展示影片顯示出的處理速度來看,讓人感覺還是十分游刃有餘。
 

開發者專訪

 
問:在推出新世代遊戲主機時,同時推出兩種性能完全不同的款式,可以說是史無前例的事情,想請問是不是從一開始就有這種規劃呢?
 
答:其實我們滿早之前就有雖然是提供同樣為次世代性能與遊戲體驗,但是卻要同時推出兩種不同硬體的想法。採用這種做法最根本的目的,是希望能夠讓更多玩家得到進入次世代遊戲市場的機會。所以這次才會決定同時推出 Xbox Series X 和 Xbox Series S 這兩種不同款式的主機。
 
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問:因為必須要同時支援兩台性能完全不同的硬體,所以在遊戲開發商之間,有傳出會不會讓最佳化等作業內容增加的聲音,想請問實際上有沒有針對這類問題加以規劃呢?
 
答:Xbox Series X 和 Xbox Series S 是以已經在這個平台上開發遊戲的開發者們的意見作為第一優先,在設計時有反應出他們的意見。兩款主機在中央處理器以及輸入輸出效能上都有飛躍性的提昇,足以實現和舊世代遊戲相比之下完全改頭換面,更加進化的新世代遊戲體驗。而且兩台主機都支援 DirectX Raytracing、Variable Rate Shading,以及 Sampler Feedback Streaming 等,同樣的次世代主機輔助工能。所以讓 Xbox Series X 和 Xbox Series S 都能使用一樣的開發工具來進行開發。
 
  我們原則上是請所有遊戲開發者,都以 Xbox Series X 為基準來設計並開發遊戲,並使用現在已經很普遍的動態解析度縮放(Dynamic Resolution Scaling)等手法,調整到適合 Xbox Series S 執行的解析度。因此在開發遊戲能完全利用 Xbox Series X 強悍的性能,同時也能夠支援兩台不同的硬體甚至是前世代的主機。
 
問:從 Xbox Series S 先前公開的樣品機來看,主機還準備了用來擴充硬碟容量的插槽對吧?
 
答:是的,Xbox Series X 和 Xbox Series S 兩台主機都預定會對應 Seagate 製的 1TB 硬碟容量擴充卡,能夠充分發揮 Xbox Velocity 架構催生出的高速讀寫效果。
 
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問:Xbox Series X / S 是否都會對應 21:9 或者是 32:9 解析度呢?
 
答:雖然我們有持續取聽玩家以及開發社群的意見回饋,但就目前來說兩台主機都還沒有預定對應超寬螢幕顯示比例。
 
問:目前市面上有支援 120Hz 更新頻率的電視或顯示器還不是很多,所以 Xbox Series S 在開發時是不是有考慮到這點呢?另外使用 Full HD 顯示器是否會帶來什麼好處?
 
答:Xbox Series S 基本上就是以對應 1440p / 60fps,以及最高 120Hz 的更新率而設計。但以此為前提,Xbox Series S 主機還擁有不管遊戲軟體的原生解析度為多少,在連接上 4K 電視時都可從硬體層面進行昇頻的功能。而就算是使用 1080p 的 FHD 顯示器,也一樣會提供開啟超級採樣效果的畫面。
 
問:使用 60Hz顯示器玩 120 fps 遊戲一般來說應該會出現畫面撕裂,主機是否有針對這個問題自動調節呢?
 
答:Xbox Series X / S 都會自動偵測現在連接上的顯示器,並配合其規格輸出合適的畫面,玩家完全不需要自己手動調整。
 
問:Sampler Feedback Streaming 是 Xbox Velocity 架構獨佔的技術嗎?
 
答:並不是,SFS 是包含在 DirectX12 Ultimate 裡的技術,將來也會用在使用 Windows 10 電腦來玩遊戲的玩家身上。
 
問:Xbox Series S 記憶體容量比 Xbox One X 還少,這是不是會在相容舊世代遊戲時產生問題呢?比如說會有遊戲使用 Xbox Series X 雖然可以執行,但是用 Xbox Series S 的時候就無法遊玩之類?
 
答:Xbox Series S 可以使用 Xbox One X 辦不到的方式,更有效率地執行舊世代的遊戲軟體。從包含中央處理器和圖形處理器的總合性能來看,Xbox Series S 大約是其兩倍左右,所以在使用 Xbox Series S 遊玩 Xbox One 對應遊戲時,其幀率也能夠達到大約兩倍的程度。而且從整體平台性能來看,Xbox Series S 也可以獲得像是更強效的材質濾鏡,更快速的讀取,以及自動高動態範圍成像(HDR)等等,舊世代主機不可能辦到的輔助效果。當然每一款遊戲軟體的強化程度,必須要視開發者支援到什麼程度而定,在主機正式發售之前,應該有機會公開更加詳細的情報才對。
 
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