Xbox Series X: Der Raytracing-Unterschied und ein effizientes Design

Was möglich ist.

Artikel von Richard Leadbetter Technology Editor, Digital Foundry

Aktualisiert am 27. Januar 2021

Das hier ist ein Teil der aktuellen Digital-Foundry-Berichterstattung über die Xbox Series X. Den Rest findet ihr hier:

Der Raytracing-Unterschied

RDNA 2 unterstützt den neuesten DXR Tier 1.1-Standard vollständig und beschleunigt ähnlich wie der Turing-RT-Kern die Erstellung der sogenannten BVH-Strukturen, die für die genaue Abbildung von Strahlengängen und Schnittpunkten erforderlich sind, die anhand der Geometrie getestet werden. Kurz gesagt: genau wie das Licht in der realen Welt "reflektiert", bildet die Hardwarebeschleunigung für Raytracing die Durchquerung und den Schnittpunkt des Lichts mit einer Geschwindigkeit von bis zu 380 Milliarden Schnittpunkten pro Sekunde ab.

"Ohne Hardwarebeschleunigung hätte diese Arbeit in den Shadern ausgeführt werden können, hätte aber allein über 13 TFLOPs verbraucht", sagt Andrew Goossen. "Bei der Series X wird diese Arbeit auf dedizierte Hardware verlagert und der Shader kann weiterhin parallel mit voller Leistung ausgeführt werden. Mit anderen Worten, die Series X kann beim Raytracing effektiv das Äquivalent von weit über 25 TFLOPs erreichen."

Es ist jedoch wichtig, dies in den richtigen Kontext zu bringen. Während Workloads gleichzeitig arbeiten können, ist die Berechnung der BVH-Struktur nur eine Komponente des Raytracing-Verfahrens. Die Standard-Shader in der GPU müssen ebenfalls ihren Beitrag leisten, sodass Elemente wie die Beleuchtungsberechnungen weiterhin auf den Standard-Shadern ausgeführt werden. Die DXR-API fügt der GPU-Pipeline neue Stufen hinzu, um diese Aufgabe effizient auszuführen. Ja, RT ist normalerweise mit einem Leistungsabfall verbunden, der auch für die Konsolenimplementierung gilt. Mit den Vorteilen eines festen Konsolendesigns können wir jedoch erwarten, dass Entwickler aggressiver optimieren und auch innovativ sind. Die gute Nachricht ist, dass Microsoft einen Low-Level-Zugriff auf die RT-Beschleunigungshardware ermöglicht.

"[Series X] geht sogar noch weiter als der PC-Standard und bietet Entwicklern mehr Leistung und Flexibilität", verrät Goossen. "Der Konsolentradition folgend, unterstützen wir auch die Programmierung auf niedrigster Ebene, einschließlich der Unterstützung für die Offline-BVH-Konstruktion und -Optimierung. Mit diesen Bausteinen erwarten wir, dass Raytracing im Laufe der Lebenszeit der Konsole ein Bereich mit unglaublicher Grafik und großen Innovationsmöglichkeiten für Entwickler ist."

Während unseres Besuchs auf dem Redmond-Campus veranschaulichte Microsoft anhand einer sehr frühen Minecraft DXR-Tech-Demo der Xbox Series X, die auf dem Minecraft-RTX-Code basiert, den wir letztes Jahr auf der gamescom gesehen haben, die RT-Fähigkeiten der Konsole - die sahen sehr ähnlich aus, obwohl sie auf einer ganz anderen GPU liefen. Was in gewisser Weise ironisch ist: Der Basis-Nvidia-Code wurde angepasst und läuft auf der AMD-Raytracing-Hardware der Series X. Das Beeindruckende daran ist, dass es eine vollständige Pfadverfolgung gibt. Abgesehen von der Skybox und dem Mond in der Demo, die wir gesehen haben, gibt es keinerlei gerasterte Elemente. Die gesamte Präsentation unterstützt Raytracing. Dies zeigt, dass die Xbox Series X trotz der Einschränkungen bei der Bereitstellung von RT in einer Konsole mit begrenztem Strom- und Siliziumbudget die ambitionierteste und eindrucksvollste Implementierung von Raytracing liefern kann - und das auch in Echtzeit.

Minecraft DXR ist ein ambitioniertes Statement - vollständiges Raytracing, wenn man so will - aber wir sollten erwarten, dass die Technologie auf sehr unterschiedliche Weise verwendet wird. "Wir freuen uns sehr über DXR und die Unterstützung für Hardware-Raytracing", sagt Mike Raynor, technischer Direktor von The Coalition und Gears 5. "Wir haben einige rechnerbasierte Raytracing-Funktionen in Gears 5, wir haben Raytracing-Schatten und die [neue] Screen-space Global Illumination ist eine Form der bildbasierten GI mit Raytracing. Daher interessiert uns, wie die Raytracing-Hardware verwendet werden kann, um solche Techniken zu nutzen und sie dann auf die Verwendung der DXR-Kerne umzustellen.

"Ich denke, [...] dass wir zukünftig Hybrid-Rendering zwischen traditionellen Rendering-Techniken sehen und dann dafür DXR verwenden - ob für Schatten, GI oder das Hinzufügen von Reflexionen - und dass dies Dinge sind, die eine Szene wirklich erweitern können und [wir können] den gesamten Chip verwenden, um am Ende die beste visuelle Qualität zu erzielen. "

In dieser DF Direct, die vor Ort in Redmond aufgenommen wurde, sprechen Rich Leadbetter und John Linneman nach einem Tag voller tiefgehender Präsentationen über ihre ersten Eindrücke zur Xbox Series X.Auf YouTube ansehen

Effizienz im Design

Für mich war eine der wichtigsten Erkenntnisse über das Silizium der Series X nicht nur die reine Leistung, sondern die Effizienz des Designs. Mit all den neuen Grafik-Features und den 12 Teraflops konsistenter Rechenleistung, da mussten wir uns ein monströs großes, unvertretbar teures Prozessordesign vorstellen - im Effekt dann also eine sehr teure Konsole. Jedoch bedeutet die Größe des SoC von 360mm², dass der Chip wesentlich kleiner ist als zunächst spekuliert wurde. Die 15,3 Milliarden Transistoren bedeuten, dass sich die Transistor-Dichte im Vergleich zum 16nmFF Design des Xbox-One-X-Prozessors mehr als verdoppelt hat und doch ist die Leistung durchgehend noch einmal deutlich höher als nur das Doppelte dessen.

Um die gesetzten Ziele in Sachen Leistung, Performance und Chips zu erreichen, war ein wenig innovatives Denken seitens Microsofts gefragt. Grafikleistung dreht sich nicht nur um Teraflops. Rechenleistung braucht Speicherbandbreite, was eine eigene Herausforderung für die Konsole darstellt. Microsofts Lösung für das Arbeitsspeicher-Sub-System bedeutet hier ein eigenwilliges 320-bit Interface, mit zehn 14gbps-GDDR6-Modulen auf dem Mainboard - sechs 2GB- und vier 1GB-Chips. Wie sich das dann für den Entwickler aufteilt, ist faszinierend.

"Die Speicherleistung ist asymmetrisch. Das ist nichts, was mir mit einem PC tun könnten.", erklärt Andrew Goossen."Zehn Gigabyte des physischen Speichers laufen mit 560GB/s. Wir nennen das den Optimal-Speicher der GPU. Sechs Gigabyte laufen mit 336GB/s. Das nennen wir den Standard-Speicher. GPU Optimal und Standard bieten die gleiche Leistung für CPU, Audio und File IO. Die einzige Hardwarekomponente, die einen Unterschied sieht, ist die GPU."

So wie der Speicher zugeordnet wird, bekommen Spiele insgesamt 13,5GB, was die gesamten 10GB des GPU Optimal-Speichers und 3,5GB des Standard-Speichers beinhaltet. Damit bleiben noch 2,5GB des GDDR6-Speichers aus dem langsameren Pool für das Betriebssystem und die Front-End-Oberfläche. Aus Microsofts Sicht ist das immer noch ein einheitliches Speichersystem, selbst wenn die Leistung sich unterscheiden kann. "Ausgehend von Gesprächen mit Entwicklern, geht es bei Spielen schnell, dass sie ihre Standard-Speicher-Quote mit CPU, Audio-Daten, Stack-Daten, ausführbaren Daten und Skript-Daten füllen und Entwickler bevorzugen dann eine solche Abwägung, wenn es ihnen mehr Bandbreite einräumt", so Goossen.

Ein Rendering von Microsoft Custom-320-bit-Speicher-Interface.

Es klingt nach einer komplexen Lösung, vor allem, wenn Microsoft selbst mit dem breiten Speicher-Interface der One X eine traditionellere Lösung hat. Aber der Wunsch, mit dem viel schnelleren GDDR6-Speicher zu arbeiten, brachte einige Herausforderungen mit sich. "Als wir mit dem System-Team sprachen, gab es viele Diskussionen über die Komplexität der Signal-Integrität und andere Dinge", so Goossen. "Bei der Xbox One X hatten wir ein 384-bit Interface, aber jetzt mit diesen unglaublichen Geschwindigkeiten, 14gbps mit GDDR6, wollten wir das so weit es geht ausreizen und wir denken, dass 320 ein guter Kompromiss ist, um die beste Leistung zu erzielen und zur gleichen Zeit ein System zu bauen, das tatsächlich funktioniert und das wir ausliefern können."

Die wesentliche Leistung ist also gut abgedeckt, aber es geht nicht nur um die rohe Rechenkraft - auch das Feature-Set ist essenziell. Damals im Jahr 2016, ein Jahr bevor die Arbeit an der Xbox One X abgeschlossen war, begann das Xbox-Chip-Team bereits mit der Arbeit an der Series X. Hier begann die Arbeit an der Architektur für die Next-Gen-Features, die wir nun 2020 sehen werden - nur als Erinnerung daran, wie lange es dauert, neue Technologien zu entwickeln. Selbst damals war Raytracing schon auf der Agenda und der Bedarf für einen revolutionären Ansatz in Sachen Speicher klar. Das bringt uns zum zweiten wesentlichen Punkt im Series X Hardware Design: Ein fundamentaler Wechsel weg von mechanischen Festplatten, vollständig hin zu Solid-State-Speicher.

Dazu lest ihr morgen mehr.