Rein theoretisch: Können Multi-Plattform-Spiele auf der Xbox One mit der PlayStation 4 mithalten?

Ein Vergleich der Grafik-Spezifikationen zwischen Xbox One und PlayStation 4 zeigt deutliche Unterschiede. Beide Systeme nutzen AMDs GCN-Architektur (Graphics Core Next), aber Sonys Rendering-Technik bietet in der Theorie 50 Prozent mehr Leistung als das Gegenstück der Xbox One - und dabei werden noch nicht einmal andere Unterschiede zwischen den Systemen berücksichtigt. Die Frage ist, wie sich das unter tatsächlichen Spielbedingungen auswirkt?

Hinter den Kulissen deuteten Entwickler uns gegenüber an, dass wir hinsichtlich der Überlegenheit der PlayStation 4 keine voreiligen Schlüsse ziehen sollten und dass die 50 Prozent mehr GPU-Leistung eindeutig nicht in einem ähnlichen Boost bei der Ingame-Performance resultieren. Das ist ein Thema, das wir kurz im Gespräch mit PS4 Chief Architect Mark Cerny ansprachen, als wir uns vor ein paar Wochen mit ihm trafen.

“Die Sache ist die, dass die Hardware absichtlich nicht 100 Prozent rund ist“, verriet Cerny. „Es gibt ein wenig mehr ALU in ihr, als man eigentlich annehmen würde, wenn man nur an die Grafik denkt. Das Resultat ist, dass man die Möglichkeit hat, diese ALU für die GPGPU zu nutzen.“

Man könnte Cernys Kommentar so interpretieren - was uns auch so von Microsoft-Insidern gesagt wurde -, dass es aufgrund der Art und Weise, wie AMDs Grafik-Technologie derzeit in Spielen eingesetzt wird, eine Reihe von Nachteilen gibt.

Wir wollten diese Angelegenheit genauer überprüfen, und zwar auf Basis von vergleichbarer PC-Hardware, die der gleichen AMD-Architektur entspricht wie in den Next-Gen-Konsolen. Einerseits hat das seine Nachteile: Die geschlossenen Umgebungen der Konsolen versprechen deutliche Leistungssteigerungen gegenüber einem PC und jedes Gerät nutzt sein eigenes Grafik-API, das vermutlich zu weiteren Unterschieden bei der Performance führt. Andererseits wissen wir, dass die Next-Gen-Launch-Titel eigentlich auf dem PC entwickelt und dann auf die neuen Konsolen portiert werden. Außerdem ist das alles reine Theorie. Wir testen etwaige Gemeinsamkeiten im API auf beiden Test-Plattformen anhand von Direktvergleichen - und in erster Linie ist das hier ein Hardware-Experiment.

"Lässt man andere Unterschiede im System außen vor, bietet Sonys Rendering-Technik 50 Prozent mehr rohe Leistung als ihr Xbox-One-Gegenstück. Die Frage ist, wie sich das unter tatsächlichen Spielbedingungen auswirkt?"

Es gibt noch einen weiteren wichtigen Faktor, der für die Tests spricht: Als es um das Design der Next-Gen-Konsolen ging, stammte die überwiegende Mehrheit an Daten, die Microsoft, Sony und AMD bezüglich der GCN-Hardware zur Verfügung stand, aus Spiele-Engines, die auf dem PC liefen. Die Gestaltung der GCN-Architektur und ihrer Nachfolger wurde deutlich durch ihre Performance in tatsächlichen Spielen beeinflusst. Wir vermuten, dass die Resultate auch Auswirkungen auf Entscheidungen in anderen Bereichen des Konsolen-Designs hatten - etwa bei Sonys Entscheidung, Ressourcen in die GPU-Leistung zu stecken.

Lasst uns zu Beginn einen genaueren Blick auf unsere gewählten Plattformen werfen. Um das klar zu sagen: Unser Ziel bestand nicht darin, vollwertige PC-Gegenstücke der Konsolen zusammenzubauen - das ist einfach nicht möglich. Wir konzentrierten uns auf die Unterschiede in der Grafik-Performance, basierend auf den vorhandenen GPU-Spezifikationen. Um das zu erreichen, wollten wir (so gut wie möglich) sicherstellen, dass das Rendering nicht durch CPU oder Arbeitsspeicher limitiert wird. Wir nutzen also unser vorhandenes PC-Testgerät mit einem auf 4,3 GHz übertakteten Core i7 3700K sowie 16 GB DDR3-Arbeitsspeicher mit einer Taktrate von 1.600 Mhz.

Die richtige Grafik-Hardware auszuwählen, wäre deutlich schwieriger. Microsofts GPU scheint eher AMDs Bonaire-Design zu ähneln, das man in einer Radeon HD 7790 findet. Sonys Wahl entspricht hingegen mehr dem Pitcairn-Produkt. Am ehesten würde das einer Radeon HD 7870 entsprechen - oder aber in puncto Taktrate mehr einer Radeon HD 7970M. In allen Fällen laufen die Konsolen-Produkte bei niedrigeren Taktraten und haben auch zwei Recheneinheiten weniger - wir vermuten, dass diese zwar auf den Prozessoren der Konsolen vorhanden, aber deaktiviert sind, um die Zahl der Chips zu erhöhen, die die Plattform-Hersteller nutzen können. Sollte ein Chip mit einem Defekt im Grafik-Bereich hergestellt werden, kann man einfach die betroffenen Recheneinheiten deaktivieren und den Prozessor weiterhin verwenden. Um für Gleichheit zwischen allen Konsolen zu sorgen, würde man sowieso zwei Einheiten auf allen Chips deaktivieren - ähnlich wie auch eine der SPUs im Cell-Chip der PlayStation 3 inaktiv ist.

"Die Grafikchips der Xbox One und PS4 haben viel gemeinsam mit zwei PC-Designs von AMD mit den Codenamen Bonaire und Pitcairn."

Recheneinheiten zu deaktivieren, mag für Microsoft und Sony Vorteile bei der Fertigung bringen, für unsere Ziel-Konfiguration, die keine direkten Entsprechungen im PC-Bereich kennt, ist es keine Option. Also wählen wir die Radeon HD 7850 für unsere angepeilte "Xbox One" (16 Rechenkerne gegenüber 12 in der XO-Hardware) und die Radeon HD 7870 XT als unsere PS4-Entsprechung (24 Recheneinheiten gegenüber 18 in der Sony-Konsole). Auf diese Weise behalten wir den relativen Performance-Unterschied zwischen den beiden Konsolen bei - wie die PS4 hat unsere Ziel-Konfiguration 50 Prozent mehr reine GPU-Power. Natürlich sind unsere Einheiten immer noch viel Leistungsfähiger als die Konsolen, weshalb wir die Taktraten beider Konfigurationen um 600 MHz herunterschrauben, um die Performance anzugleichen. Einige Spiele profitieren von höheren Taktraten, andere von einer größeren Anzahl Kerne, doch mit unserem Kompromiss erreichen wir immerhin die richtigen Werte in Sachen Rechenleistung, nicht zu vergessen das richtige Verhältnis von Bandbreite je Flop, um eine bessere Übereinstimmung mit der PS4 zu erreichen.

Als nächstes stellt sich die Frage nach der Speichergeschwindigkeit. Auf beiden Plattformen stellen wir die RAM-Geschwindigkeit auf 1.375 MHz ein, um sie der PlayStation 4 anzugleichen (dazu müssen wir den Takt der 7870 XT reduzieren und den der 7850 erhöhen). Dadurch erhält unser XO-Nachbau einen Vorteil, den die spätere Konsole nicht haben könnte, was ihrem langsameren DDR3-Speicher und schnellen ESRAM-Cache geschuldet sind. Auf der anderen Seite bedeutet das, dass wir die Grafikhardware auf gleicher Ebene betrachten können - und die Bandbreite ist ein Punkt, den wir später im Detail beleuchten.

Leistungsmessung der Ziel-Hardware

Bleibt die Frage, wie AMD die eigene Hardware einschätzt und die Designs entsprechend anpasst? Sicher wird dieser Prozess auch die Einbeziehung aktueller Game-Engines beinhalten, weshalb auch wir diesem Ansatz folgen und gleich mit unseren üblichen Benchmarks loslegen. Um so nah wie möglich an die Arbeitsbelastung einer Next-Gen-Konsole zu kommen, waren wir diesmal etwas wählerischer bei der Wahl der Einstellungen. 1080p ist eindeutig die angestrebte Auflösung der neuen Konsolengeneration, weshalb wir uns bei den Tests darauf beschränken. Multi-Sampling Anti-Aliasing (MSAA) ist vom Tisch, da in Next-Gen-Titeln so gut wie nie eingesetzt.

"Die Ergebnisse bestätigen größtenteils die Theorie, dass mehr Rechenkerne nicht automatisch zu einem linearen Anstieg der Leistung führen. Unser PS4-Nachbau hat allerdings einen Vorteil von durchschnittlich 24 Prozent."

Xbox One/PS4 "Target Spec" PC Benchmarks

Die Ergebnisse bestätigen ziemlich eindeutig die Theorie, dass mehr Rechenkerne in der GCN-Architektur nicht automatisch zu einem linearen Anstieg der Leistung führen. Daher erhöht AMD bevorzugt die Taktrate und die Geschwindigkeit des Speichers in seinen High-End-Karten, da offensichtlich ist, dass eine höhere Anzahl Kerne allein nicht der Aufgabe gewachsen ist. Betrachtet man die Ergebnisse, fällt bei Metro: Last Light der Unterschied am niedrigsten aus - die zusätzlichen 50 Prozent mehr Rechenleistung ergeben gerade einmal 17,6 Prozent mehr Performance. Auf der Kehrseite profitiert besonders Tomb Raider mit 33 Prozent mehr Leistung, sobald die "haarsträubende" TressFX-Haar-Simulation ins Spiel kommt, aber auch ohne macht sich das Mehr an Leistung über die ganze Bandbreite der Qualitätsstufen bemerkbar.

Game-Fokus: Crysis 3

Der nächste Punkt beschäftigt sich mit der Frage, bis zu welchem Grad Multi-Plattform-Entwickler Kompromisse eingehen müssen, wenn ihre Xbox-One-Version der PlayStation-4-Variante entsprechen soll. Da gibt es einige Möglichkeiten. Praktisch von allen Multi-Plattform-Titeln der nächsten Generation wird es PC-Versionen geben, weshalb die Engines bereits mit den Anforderungen an die Skalierung im Hinterkopf programmiert wurden - bis zu einem Grad, an dem der kleinste gemeinsame Nenner kaum eine Rolle spielen dürfte, angesichts der Leistungsfähigkeit der Xbox One oder der PS4. Die Techniker können einfach die Qualitätseinstellungen zurückschrauben, um Performance zu gewinnen - ob nun für Microsofts Konsole oder einen viel schwächeren PC - oder sie können einen Ausgleich der Features zwischen XO und PS4 anstreben, und einfach die Auflösung runterregeln. Wir haben uns entschlossen, das mit einem Spiel zu testen, das am ehesten einem Titel für die nächste Generation am nächsten könnt - das fortschrittliche und technisch brillante Crysis 3. Die meisten Spiel-Benchmarks oben (abgesehen von Metro: Last Light) basieren auf hochskalierten Konsolen-Titeln. Im Unterschied dazu wurde Crysis 3 primär für PC entwickelt und dann herunterskaliert, um auf der aktuellen Konsolengeneration zu laufen - genau wie viele Spiele, die wir im vierten Quartal dieses Jahres sehen werden.

In diesem Video vergleichen wir die Performance unserer Ziel-Konfiguration in 1080p, skalieren dann dass Xbox-One-Äquivalent zunächst auf 1776x1000 herunter (eine Auflösung, die 17,2 Prozent weniger Bildpunkte bedeutet). Danach skalieren wir eine weitere Stufe herunter, auf 1600x900 - eine um 33 Prozent geringere Auflösung und ein ähnliches Leistungsdefizit, das die GPU der Xbox One gegenüber der der PS4 hat. Theoretisch sollte also die 1776x1000-Auflösung zwischen beiden Nachbauten in 1080p platz nehmen, während sich die 1600er Auflösung näher an der Performance des PS4-Gegenstücks bewegen sollte. Im Video sehen wir allerdings, dass genau das nicht passiert.

"Crysis 3 ist aktuell der Titel, der einem Next-Gen-Spiel am nächsten kommt. Und beide unserer Ziel-Konfigurationen sind in der Lage, ihn in 1080p auf hohen Grafikeinstellungen bei sehr hoher Texturqualität abzuspielen."

Crysis 3: Xbox One/PS4 "Target Spec" PC Frame-Rate Tests

Durch das Herunterschrauben auf 1600x900 zieht die simulierte Xbox One deutlich an dem PS4-Äquivalent in 1080p vorbei, während sie in 1776x1000 ihr nur wenig hinterherhinkt. Weiter unten auf dieser Seite seht ihr, welchen Einfluss das Herunterskalieren auf die Bildqualität hat. Zudem zeigt das Video, dass die PS4 trotz 50 Prozent mehr Rechenpower nur 19,3 Prozent vor unserer "Xbox One" liegt (42,6 FPS gegenüber 35,7 FPS). Es ist durchaus möglich, dass die Systemressourcen, die die fortschrittlichen Shader in Anspruch nehmen, nicht linear zusammen mit der Auflösung skalieren. Das bedeutet, dass es deutlich mehr Systemressourcen freistellt als man denkt, wenn weniger Pixel bearbeitet werden müssen. Das können wir aktuell nicht mit abschließender Sicherheit wissen und das hier ist natürlich nur ein bestimmtes Spiel - und die Benchmarks oben beweisen ja auch, dass unterschiedliche Spiele auf unterschiedlichen Qualitätseinstellungen ebenso unterschiedliche Resultate produzieren. Zudem muss man auch die Bildratenbeschränkung von 30 FPS bedenken, die die meisten Konsolen-Titel nutzen. Sie ist der große Performance-Gleichmacher und begünstigt im Allgemeinen die schwächere Plattform, die dann nur in den technisch anspruchsvollsten Szenen wirklich schlechter dasteht.

Aber natürlich beschränken sich die Stärken der PlayStation 4 nicht allein auf die höhere Leistung ihrer GPU. Sie hat auch einen Bandbreitenvorteil. Das Sony-Gerät verfügt über einen 256 Bit Memory Bus, der einen maximalen Durchsatz von 176 GB/s erlaubt. Im Gegensatz dazu ist der DDR3-Speicher der Xbox One auf 68 GB/s beschränkt, was von den 32 MB Embedded Static RAM ('ESRAM') im Prozessor etwas aufgefangen wird. Er bietet eine theoretische Spitzen-Bandbreite von 192GB/s.

Die Bandbreiten-Frage

Obwohl die zusätzliche Rendering-Power des Grafikchips der PS4 sich nicht ganz so deutlich zeigt wie die Zahlen vermuten lassen, kann ein Mangel an Bandbreite ein absoluter Performance-Killer sein. Und das ist in Bezug auf die Xbox One eine große Sorge. Schaut euch das folgende Video an, in dem wir die Radeon HD 7790 mit der Radeon HD 7850 vergleichen. Das Interessante daran ist, dass die HD 7790 weniger Compute Units hat als die 7850 (14 gegenüber 16), aber höher getaktet ist. Bis hin zu dem Punkt, dass das rohe Berechnungspotenzial beider Karten nahezu identisch ist und bei etwa 1,8 Teraflops liegt, was in etwa PS4-Territorium ist. Der Unterschied liegt in der Bandbreite. Der 256-Bit-Memory-Bus der HD 7850 bietet einen massiven Vorteil von 60 Prozent über das 128-Bit-Interface der HD 7790.

Drei Spiele kommen in dem Video vor: Crysis 3, Skyrim und Battlefield 3. Die ersten beiden Spiele enthüllen einen Performance-Vorsprung von bis zu 20 Prozent aufgrund der größeren Bandbreite, während DICE' BF3 den Gleichstand bei der Rechenleistung belegt. In diesem Fall sind die Bandbreiten-Anforderungen ohne MSAA nicht allzu hoch. Wenn man diese Ergebnisse auf die Next-Gen-Konsolen überträgt, ist ziemlich klar, dass die Entwickler auf Microsofts Konsole die Kombination aus DDR3 und ESRAM effektiv nutzen müssen, um den Durchsatz des Memory Bus der PS4 zu erreichen. Gute Performance aus dem ESRAM zu ziehen ist unerlässlich, wenn die Xbox One mit der PS4 mithalten will.

"Ein faszinierender Vergleich der Radeon HD 7790 mit der HD 7850: Zwei Karten mit der gleichen Rechenleistung, aber sehr unterschiedlichem Bandbreiten-Budget, was sich stark auf die Performance auswirkt."

Radeon HD 7790 1GB vs. HD 7850 1GB Frame-Rate Tests

Fazit: Der Vorteil der PS4 und die Herausforderungen der Xbox One

Zusammenfassend kann man sagen, dass die PS4 zwei zentrale Vorteile gegenüber der Xbox One hat, wenn es um rohe Grafikleistung geht: Rohe GPU-Power und Massen an Bandbreite. Zumindest die 50 Prozent Rechenleistung resultieren zwar nicht in dem stratosphärischen Boost, den man vielleicht erwartet hätte. Die PS4 ist deutlich stärker, aber die uns vorliegenden Beweise legen nahe, dass einige Veränderungen an den Einstellungen und/oder der Auflösung für eine ähnliche Performance auf beiden System sorgen werden. Die Bandbreite bleibt das große Problem. Der 256-Bit-Bus der PS4 ist etablierte Technologie und einfach zu nutzen. Der ESRAM der Xbox One ist eine große Unbekannte, besonders im Hinblick darauf, wie schnell er tatsächlich ist und bei welcher Geschwindigkeit ihn die Entwickler tatsächlich am besten ausnutzen können. In unseren Benchmarks und Spieletests haben wir Fünfe gerade sein lassen, indem wir mit der gleichen Bandbreite arbeiteten, aber es gibt natürlich keine Garantie dafür, dass es in der Praxis ebenso ist.

Die Next-Gen-Schlacht wird eindeutig faszinierend. Wir haben es mit zwei Konsolen zu tun, die aus den gleichen Bausteinen zusammengesetzt wurden, allerdings mit komplett unterschiedlichen Ansätzen. Insider-Quellen bei Microsoft zufolge lag der Fokus der Xbox One darauf, so viel Performance wie möglich aus den ALUs des Grafikchips zu holen. Gut möglich dass die 12 Compute Units gewählt wurden, weil es das ausgewogenste Setup ist, um der Jaguar CPU-Architektur zu entsprechen. Unsere Quelle gibt an, dass die Data Move Engines der Xbox One daher rühren, dass man sich die fortschrittlichsten 360-Spiele anschaute und studierte, wie sie mit den am weitesten verbreiteten Hardware-Flaschenhälsen umgingen. Im Gegensatz dazu - besonders im Hinblick auf die rohe Power - wirkt die PS4 etwas unausgewogen. Vielleicht ist das der Grund, warum das Sony-Team unter Leitung von Mark Cerny die GPU Compute Pipeline neu designten. Vielleicht sahen sie die ungenutzten ALU-Ressourcen und bemerkten, dass hier die Chance für Entwickler bestand, etwas anderes mit der Grafik-Hardware zu machen.

Cerny gibt selbst zu, dass die Nutzung von GPU Compute ihr volles Potenzial wohl nicht vor dem dritten oder vierten Jahr des PS4-Lebenszyklus entfalten wird. Eine Quelle aus dem Entwicklungsbereich sagte uns, "GPU Compute ist das neue SPU" und spielt damit auf die Schwierigkeiten an, die die Programmierer hatten, die Stärken der PS3 auszunutzen. Gleichzeitig sagt dies aber auch viel über das Potenzial der Hardware aus. Man bekommt das Gefühl, hier bisher unbekanntes Territorium vor sich zu haben, dass es sich um einen Aspekt der Grafiktechnologie handelt, der dem Gerät ein langes Leben beschert, bis wir sein volles Potenzial erleben. Das passiert natürlich nicht über Nacht und ganz bestimmt nicht im Launch-Zeitraum. Dennoch, so unwahrscheinlich das auch klingt, wenn man das leistungstechnische Defizit der Grafikhardware bedenkt: Theoretisch haben Multi-Plattform-Titel auf der Xbox One eine gute Chance, mit nur kleineren Kompromissen ihren PS4-Äquivalenten nahe zu kommen. Später im Lebenszyklus wird die Frage sein, ob GPU Compute ein wirklich bedeutender Faktor bei der Entwicklung wird. Immerhin erfordert es einen Mehrwaufwand, es zu nutzen, der der Xbox-One-Version nur wenig bringt.

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Abschließend ist zu sagen: In Sachen Grafiktechnologie bestehen wenig Zweifel daran, dass die PlayStation 4 das leistungsstärkere Gerät der beiden Next-Gen-Konsolen ist. Kurzfristig gesehen jedoch - vorausgesetzt, Microsoft hält sein Versprechen der verbesserten Grafik-Libraries und der ESRAM ist einfach zu benutzen -, gibt es guten Grund zu der Annahme, dass das deutliche Leistungsgefälle zwischen beiden Geräten zum im eigentlichen Gameplay nicht so ausgeprägt ist, wie die Hardware-Spezifikationen vermuten lassen. Die gamescom dürfte spannend werden - und eine gute Chance bieten, den Fortschritt zu beurteilen, nachdem beide Konsolen zur E3 noch wenig optimiert erschienen.

Abgesehen davon sind die Erkenntnisse durchaus ermutigend, denn unsere Ziel-Konfigurationen erwiesen sich als durchaus fähig, mit einigen der anspruchsvollsten PC-Spielen fertig zu werden. Zudem ermöglichte es ein sehr spielbares Crysis-3-Erlebnis auf hohen Einstellungen und mit den bestmöglichen Texturen. Wenn man bedenkt, dass die höchsten Einstellungen sogar Cutting-Edge-Technik wie die GTX Titan durchaus fordert, ist es mehr als respektabel, dass man in 1080p hier noch ordentliche Bildraten bekommt, wenn man die Einstellungen nur eine Stufe herunterregelt.

Cryteks technisches Meisterstück zielt mit seinen fortschrittlichen Effekten und ultra-hochaufgelösten Artworks auf die absolut höchsten Auflösungen ab. Auf dem Next-Gen-Konsolenstandard von 1080p sieht derartige Texturqualität schlichtweg phänomenal aus und das ganze Erlebnis übersteigt deutlich die heruntergeschraubten Current-Gen-Versionen. Sofern also die CPU-Power stimmt, sollten beide Konsolen also in der Lage sein, eine 1080p30 Performance in diesem fordernden Titel mit nur geringen Schwankungen zu halten. Und bei dieser Einschätzung sind die Vorteile der APIs geschlossener Plattformen und konsolenspezifische Optimierungen noch nicht berücksichtigt. Und als Ausgangspunkt für die Next-Gen ist das alles andere als schlecht.