Technik-Analyse: Durango vs. Orbis

Digital Foundry dazu, was die aktuellen Leaks für die Zukunft von Xbox und PlayStation bedeuten

Der nächste Konsolenkrieg hat noch nicht begonnen, aber die Schlachtlinien sind bereits gezogen. Die Feuerkraft der Prozessoren, die Microsoft und Sony zur Verfügung stehen, ist eine bekannte Größe. Es ist Durango gegen Orbis und es ist ein Konsolen-Kopf-an-Kopf, wie man es so noch nicht gesehen hatte. Die rohen Bausteine der technischen Einheiten der Next-Gen-Konsolen wurden von den gleichen Leuten entworfen und es liegt in der Natur der Sache, dass die Roh-Architektur sich sehr ähnelt. Die Unterschiede zwischen den beiden Konsolen sind weniger ausgeprägt als in jeder der letzten Generationen: Grundsätzlich müssen sich Microsoft und Sony den gleichen Herausforderungen stellen und gingen zu den gleichen Leuten, das Ergebnis sind sehr ähnliche Endprodukte. Aber dennoch, es gibt Unterschiede zwischen Orbis und Durango und sie spiegeln wider, wie die beiden Plattform-Anbieter sich die Zukunft der Heimkonsolen vorstellen.

Wir wollen uns nicht zu sehr mit den bekannten Ähnlichkeiten zwischen den beiden Konsolen aufhalten. Aber wir haben bereits gesagt, dass sowohl die Xbox als auch die PlayStation in ihren nächsten Generationen die gleiche CPU mitbringen werden - eine Acht-Kern-CPU, die mit 1,6 GHz läuft und auf der kommenden, stromsparenden Hochleistungsarchitektur Jaguar basiert. Auch auf der Grafik-Seite liefert AMD die gleiche Technologie an beide Hersteller: den GCN-Kern, der auch in den sehr beliebten Radeon HD 7xxx Grafik-Karten verbaut wird.

Hier ist auch der erste wichtige Unterschied zu finden: Bei dem GPU Rendering dreht sich alles um die Verteilung der Rechenlast auf viele Kerne und nach unserem Stand hat die neue Xbox 12 dieser "Recheneinheiten" (Compute Units oder CUs), während es Orbis auf 18 bringt. Ein Vorteil von 50 Prozent. Diese Zahlen waren in den letzten Wochen heftig umstritten aber unsere Orbis-Quelle hat die Sony-Seite dessen bestätigt, während SuperDAE's Leak - in Verbindung mit Beweisen seiner Angaben, die uns hinter den Kulissen gereicht wurden - die Zahl der Durango Recheneinheiten bestätigt. Die Informationen sind in etwa neun Monate alt, stammen also aus der Durango-Beta-Phase. Es ist also theoretisch möglich, dass die Hardware seitdem verbessert wurde, aber in der Praxis ist es praktisch unmöglich, dass das tatsächlich passiert. Man kann nicht einfach was an die neue Hardware dranpappen, ohne die eigene Produktionsplanung um viele Monate nach hinten zu schieben.

Also, ergibt sich aus dieser GPU-Differenz ein so großer Vorsprung wie man denken mag? VGleaks' Orbis Spezifikationen, wieder mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit direkt aus Dokumenten des Plattform-Herstellers abgeleitet, legen nahe, dass vier dieser CUs für Compute Funktionen reserviert sind, was den Vorteil an reiner Rechenleistung aufseiten der PlayStation von 50 Prozent auf gerade mal etwas über 16 senkt. Aber und obwohl Compute oft für Bereiche wie die Physik-Berechnung genutzt wird, hält die Entwickler nichts davon ab bestimmte Grafik-Features an diese Hardware auszulagern. Ein Beispiel: Just Cause 2 nutzte NVIDIAs eigene Compute Lösung, CUDA, für bessere Wassereffekte. Auch ein Kernelement von Battlefield 3 - die Anwendung des Deferred Shading, das die schönen Lichteffekte ermöglichte - wird vom DirectX 11 Compute Shader Code übernommen.

Durango nutzt einen Ansatz, der dem des PC ähnelt. Hier entscheiden die Entwickler, wie sie die GPU Ressourcen zwischen Rendering und Compute aufteilen. Hier gibt es aber einen möglichen Flaschenhals: Compute und Rendering werden in der Microsoft Konsole um die Ressourcen der 12 Radeon GCN Kerne streiten, während die Orbis dedizierte Compute Hardware bietet und immer noch einen Rendering Vorteil an der Zahl der CUs bietet.

Andere Informationen zeigen einen weiteren Vorteil der Orbis-Hardware. Die Sony-Hardware bietet überraschende 32 ROPs (Render Output Units), auf der Durango sind es 16. ROPs übersetzen Pixel- und Texel-Werte in das finale Bild, das an den TV geschickt wird. Grob gesagt: Wenn es mehr ROPs gibt, kann eine höhere Auflösung an den TV geschickt werden und auch die Möglichkeiten des Hardware-Anti-Aliasing hängen mit der Zahl der ROPs zusammen. 16 ROPs sind genug, um 1080p zu halten, 32 sind hier ein wenig sehr großzügig ausgelegt, könnten aber genutzt werden um stereoskopisches 1080p zu ermöglichen oder sogar 4K. Jedoch bestätigen uns unsere Quellen, dass Orbis erster Linie für 1080p gedacht ist.

Die Debatte um die "geheime Zutat"

Es gibt jedoch die Debatte, ob es nicht unrealistisch sei, Durango und Orbis auf diese Art zu vergleichen. Dass die Plattform-Hersteller weit mehr Kontrolle über das Design des Siliziums haben, als es die reinen Daten suggerieren. Dass sie mit Hersteller-spezifischen Anpassungen nach "geheimen Rezepten" ausgestattet sein könnten.

Die reinen Vergleiche der Teraflop-Zahlen - 1,23 TF für Durango und 1,84 TF für Orbis - wurden als bedeutungslos abgetan und zu einem gewissen Teil stimmt das auch. Aber sieht man sich AMDs Specs-Seiten für all ihre GCN-Hardware an, wird man eine ähnliche Metrik finden, die auf einer einfachen Formel, abgeleitet aus Taktung und CU Zahl, basiert. Es ist natürlich nicht das letzte Wort zur Prozessor-Leistung, aber es sind genaue Messungen, die von AMD selbst genutzt werden, um eine grobe Einschätzung der rohen Leistungsfähigkeiten der Bausteine zu geben, die sie ausliefern. Ihr werdet feststellen, dass die Konsolen-Bausteine ihren PC-Äquivalenten recht nahe sind. Die Teraflops sind für einen reinen Vergleich der Hardware-Möglichkeiten also durchaus nützlich.

Das soll aber nicht heißen, dass Durango und Orbis keine maßgeschneiderte Hardware hätten. Das haben sie natürlich, aber selbst hier sehen wir viele Gemeinsamkeiten, da die gleichen Leute versuchten, die gleichen Probleme zu lösen und zu ähnlichen Lösungen kamen: Beide haben dedizierte Hardware-Video-Encoder und -Decoder (erwartet, dass ihr Spielmitschnitte aufnehmen und sharen könnt, ohne dass es sich auf die Spielperformance auswirkt), und beide haben eigene Audio Prozessoren sowie Unterstützung für das Entpacken von komprimierten LZ-Archiven (also Unterstützung für verlustfreie Kompression wie in ZIP-Archiven).

Hier sehen wir jedoch einige reizvolle Verbesserungen, die Durango-spezifisch sind. Seine "Daten-Bewegungs-Engine" führt Hardware-Kompression und -Dekompression aus - und bietet JPEG-Support, wahrscheinlich um Kinect-Kamera-Streams nutzen zu können -, während es zusätzliche Unterstützung von Texture Swizzling gibt. Daraus lässt sich ableiten, dass diese Kernelemente dazu gedacht sind, die maximale Performance aus einem RAM-Setup zu ziehen, das wesentlich komplexer (und langsamer) als das des Orbis-Äquivalents ist. Die meiste maßgeschneiderte Hardware dient also dazu, die CPU zu entlasten und nicht dazu, die GPU-Leistung zu verbessern. Wer also hofft, dass die "Geheimrezepte" den theoretischen Vorteil der Orbis ausgleichen würden, dürfte davon enttäuscht werden.

Es ist so, dass viele der Funktionen, die den Move Engines zugewiesen sind - Kippen und Drehen von Texturen, verlustfreie Dekomprimierung, Textur-Dekomprimierung - an die SPUs der Playstation 3 ausgelagert wurden. VGLeaks' genannte Spezifikationen der Bandbreite - um 25 GB/sec, eine plausible Größe - ist im selben Bereich der SPU-Leistung, die die gleichen Aufgaben bewältigt. Im Ergebnis heißt das, dass man Teile dieser "Geheimzutaten" als auf zwei oder drei Funktionen spezialisierte SPUs sehen kann, zusätzlich zum Acht-Kern-AMD-Prozessor. Orbis dagegen hat seine eigene Spezial-Hardware, die viele der gleichen Funktionen übernimmt und für den Rest gönnt es sich den Luxus eines voll programmierbaren Compute Moduls, das Durango fehlt (solange man nicht die Render-Ressourcen beschneiden möchte).

Die Tatsache, dass die Data Move Engines der Durango überhaupt existieren, zeigen einen der großen Unterschiede der beiden Next-Gen-Plattformen: Speicher und wie die Daten durch das System transportiert werden.

RAM: Kapazität gegen Bandbreite

Durango ist ein Speicher-Monster mit seinen 8 GB RAM im Vergleich zu den "nur" 4 GB im Sony-Konkurrenten. Es ist eine ambitionierte Strategie, die Microsofts Hoffnungen Rechnung trägt, dass die neue Xbox mehr sein könnte als nur eine Spielkonsole. Man nimmt an, dass die Hardware einen bedeutenden Anteil des RAM für Media-Funktionen reserviert und die Gerüchte, dass dedizierte Apps und Medien-Anwendungen gleichzeitig neben Spielen laufen könnten, halten sich hartnäckig.

Es gibt nur ein Problem. 8 GB des schnellsten Speichers in eine Konsole zu stecken, ist einfach logistisch nicht möglich. Einer der entscheidenden Vorteile der Xbox 360 gegenüber der PS3 bestand in ihrem Unified Pool von 512 MB schnellem GDDR3 Speicher. GDDR5 ist das aktuelle Äquivalent, das prinzipiell auf PC-Grafikkarten genutzt wird, aber das Problem besteht darin, dass die Module nur in bestimmten Größen geliefert werden können. Die Größte und am schwierigsten herzustellende ist aktuell 512 MB. 16 Stück davon in Reihe zu schalten, auf einem Konsolen-Motherboard, würde einfach nicht funktionieren. Sony hat sich für ein dichteres System entscheiden - weniger Speicher-Module, aber jedes davon sehr, sehr schnell. Es bleibt bei GDDR5 als der einzige Speicher-Pool mit all der rohen Bandbreite, die das mit sich bringt, aber es ist limitiert auf 4 GB Kapazität. Es gibt Gerüchte über 6 oder 8 GB Upgrades, aber es ist sehr unwahrscheinlich, dass dies passieren wird.

Microsofts Lösung, um auf die 8 GB zukommen, liegt darin, auf DDR3 zurückzugreifen. Die gleiche Art also, wie sie in aktuellen PCs oder auch der Wii U genutzt wird. Daraus ergibt sich ein Problem: Bandbreite. Stellt euch die Daten wie Wasser vor, das durch ein Rohr fließen muss. Je breiter das Rohr ist, desto mehr Wasser kann durch. DDR3 kann nur in etwa ein Drittel der Datenmenge bewältigen, auf die GDDR5 kommt, einfach weil die Leitung so viel dünner ist. Microsofts Lösung? Durango mit 32 MB Fast Memory (ESRAM) auszustatten, die direkt an den Grafik-Kern gekoppelt sind, aber auf die auch von der CPU aus zugegriffen werden kann. Dieser kleine Cache-Speicher kann parallel zum DDR laufen und die kombinierte Bandbreite steigt auf etwa 170 GB/sec. Das ist ziemlich nah an dem Durchsatz des GDDR5 im Orbis.

Was bedeutet das für die Spiele-Entwickler? Wie auch immer man es dreht und Microsoft es verkaufen möchte, die 32-MB-ESRAM sind eine Art Notbehelf, der nicht annähernd so schnell oder effizient ist, wie der Unified RAM-Pool der Orbis. Aber obwohl dieser Nachteil offensichtlich ist, heißt das in keiner Weise, dass das eine Katastrophe für die Entwicklung auf der Durango ist. Wenn man mit den Entwicklern spricht, stellt sich schnell heraus, dass nicht jedes Feature eines Spiels unbedingt ultra-schnellen Speicher braucht. Die Systeme werden für DDR3 entwickelt, und wenn der Speicher-Durchsatz zum Problem wird, werden die Features an den ESRAM gereicht, wo es genug Bandbreite gibt, wenn diese hohe Leistung gebraucht wird.

Auch wird der Unterschied zu einem Teil dadurch ausgeglichen, dass Durango mit einer verbesserten Version von DirectX 11 arbeitet - genannt DirectX 11.x. Es ist sehr wahrscheinlich, dass bestimmte wichtige Render-Funktionen automatisch für die Nutzung des ESRAM optimiert werden.

Direct X 11 gegen LibGCM

All das bringt uns auf bestem Wege zu den Entwicklungs-Umgebungen, die mit der neuen Hardware ausgeliefert werden. Für Microsoft ist das ein übliches Tagesgeschäft, indem sie die bestehenden Visual Studio Tools erweitern, die bei aktuellen Xbox-360-Titeln genutzt werden. Der Wechsel vom PowerPC zu 64-Bit x86 Prozessoren wird begleitet von einer Reihe von neuen Ergänzungen, die die neue Hardware ansprechen, während das angepasste DX9 der 360 gegen eine entsprechend verbesserte DX11-Version getauscht wird.

Von dem, was man so hört, ist es ein nahtloser Übergang für die Entwickler, insbesondere für diejenigen, die bereits an DX11-Projekten für den PC gearbeitet haben. Ein paar Entwickler hatten Bedenken, in die Microsoft API eingeengt zu werden, Fakt ist jedoch, dass es ein spezifisches Durango-DX11 gibt. Es gibt auch einen Grad der Flexibilität wie DirectX genutzt wird, der dem legendären Konzept "coding to the metal" sehr nahe kommt. Als Beispiel lassen sich auf der 360 Shader-Daten in nativer Form in die GPU laden. Der Entwickler zeigt der Hardware, wo die Daten sind und sie lädt sie von dort. Der Trick ist, sicherzustellen, dass sie am richtigen Ort im richtigen Format bereitstehen, bevor die GPU sie bekommt. Das funktioniert genau genommen immer noch in der DirectX API, die Entwickler sprechen also die Hardware direkt an.

In Bezug auf die nächste Generation ist es fast ausgeschlossen, dass die Entwickler mit der Next-Gen-PlayStation die Probleme mit der Reihe an Tools haben, auf die sie bei der PS3 stießen. 2005 wurde SN Systems aufgekauft, um die Entwickler-Umgebung für die eigenen Konsolen zu verbessern. Uns wurde gesagt, dass die Qualität der Systeme sich exponentiell verbessert habe und ein hocherfahrener Spielentwickler sagte uns, dass er die Tools der PS Vita für die beeindruckendsten hält, mit denen er je gearbeitet hat.

Auf Orbis nutzt Sony eine neue Variante der LibGCM Bibliotheken, die auch schon auf der PS3 und Vita zum Einsatz kamen. Dies erlaubt Entwicklern direkten Zugriff auf die Hardware, sodass insbesondere Bereiche der AMD-Grafik-Hardware auf eine Weise angesprochen werden, für die es keinen direkten Vergleich zu DirectX gibt. Man muss sich nur Spiele wie God of War oder Uncharted ansehen, um zu wissen, welche Resultate man mit Sonys Ansatz, die Hardware auszunutzen erzielen kann: Es sind bis heute State-of-the-Art-Spiele, obwohl sie eine heute obsolete NVidia Hardware aus 2005 nutzen. Natürlich und insbesondre in Bezug auf die PS3 ist die GPU nur ein Teil der gesamten Hardware, aber es ist trotzdem Fakt, dass die Programmierer noch Sachen aus RSX herausholen, von denen man nur träumen konnte, als die Konsole entworfen wurde.

Das Next-Gen-Schlachtfeld nimmt Form an

Damals, 2005, enthüllten Microsoft und Sony ihre 'Next-Gen'-Konsolendesigns - die Xbox 360 und die PlayStation 3. Jede von ihnen war ein ambitioniertes Stück Hardware: Sie trieben den Stromverbrauch auf eine neue Spitze (mit einigen desaströsen Folgen, im Hinblick auf die Zuverlässigkeit der Geräte), beide nahmen leistungsfähige PC-Komponenten in ein Konsolendesign auf. Microsoft streckte sich besonders bei der GPU-Leistung - die Xenos GPU war ein vorwärtsdenkendes Design, architektonisch allem weit voraus, was damals auf dem Markt war. Sony pokerte mit Cell und Blu-ray - ein komplexes CPU-Design, mit dem Entwickler ihre Probleme hatten und ein Speicher-System, das Wenige wirklich ausnutzten. Es sind diese Elemente, die für die Kluft in Sachen Performance bei den besten First- und Third-Party-Titel sorgten.

Einige werden sagen, dass ihre Nachfolger die Produkte einer Ära der Enthaltsamkeit seien, in der der Ansatz der 'Leistung zu jedem Preis' durch einen neuen, vernünftigeren ersetzt wurde, der sich existierender Architektur annimmt, um in einer geschlossenen Umgebung das Maximum aus ihr herauszuholen.

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Deshalb, weil sie sich vor den gleichen Herausforderungen sehen, ist es keine allzu große Überraschung, dass sowohl Microsoft als auch Sony sehr ähnliche Teile vom selben Anbieter wählten, die auf bereits existierender Technologie basieren (oder im Fall der AMD CPU, einer überarbeiteten, verbesserten Version eines aktuell erhältlichen Prozessors) - und dass der vorwärtsdenkende Ansatz der letzten Generation in den Nachfolgern keine Rolle mehr spielt. Die Unterschiede fallen bei der neuen Hardware deutlich kleiner aus - Sony investierte mehr in visueller Performance, während Microsofts mit RAM pokert.

Auf dem Papier wirkt Orbis wie das konzentriertere, leistungsstärkere und spielezentrischere Design. In Sachen Durango spricht der Aufwand Microsofts, 8 GB RAM in dem Gerät unterzubringen, dafür, dass das Unternehmen plant, die Xbox-Hardware auch jenseits des Gamings zu positionieren, dass sie als ein Next-Gen Medien-Center fungieren soll. Die Frage ist, inwieweit MS' Pläne abseits der Spiele die Rechen-Ressourcen beeinträchtigen, die den Entwicklern zur Verfügung stehen ...

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