索尼系統架構師Mark Cerny今日公開了PlayStation 5的規格，深入介紹了新的系統架構。外媒Digital Foundry提前觀看了這次演講并與Mark Cerny進行了更深入的交談，并了解到了設計背后的理念。
下面這段約53分鐘的演講原本這些內容是應該在GDC游戲開發者大會上發表的，不過由于疫情原因而導致本次活動取消了。在這段演講中Mark Cerny主要介紹了PS5的固態硬盤、GPU、向下兼容PS4游戲、3D音頻的特性，基本都是技術方面的內容，感興趣的朋友可以看看。
PS5的硬件規格
PlayStation 5使用了AMD的Zen 2 CPU技術，包含8個物理核心和16線程，這些都是以前公布過的信息。現在我們知道了它們的時鐘速度——PS5的CPU可以提供最高3.5GHz的頻率。Mark Cerny將這個頻率描述為“上限”，他表示這是通常情況下的速度，但在某些條件下它的運行速度可能會更慢。
索尼的定制版AMD RDNA 2 GPU具有36個運算單元（CU），運行頻率上限為2.23GHz，可有效提供 10.28TFLOPs 的峰值計算性能。雖然2.23 GHz是極限，但也是通常的速度，它可能會根據所需的工作負載而降低頻率。PS5使用了一個boost clock。RDNA 2運算單元的晶體管密度比PS4的運算單元高62％，這意味著就晶體管數量而言，PS5的36個運算單元陣列相當于58個PS4的運算單元。 而且這些新的運算單元運行的頻率是以前的兩倍。
以下是PS5的關鍵參數：
·CPU：8x Zen 2 Cores at 3.5GHz (可變頻率)
·GPU：10.28 TFLOPs, 36 CUs at 2.23GHz (可變頻率)
·內存：16GB GDDR6/256-bit
·內存帶寬：448GB/s
·存儲：定制的 825GB 固態硬盤
·IO吞吐量：5.5GB/s (Raw), Typical 8-9GB/s (Compressed)
·存儲介質：4K UHD Blu-ray Drive
PS5和Xbox Series X的硬件參數對比：
PS5的boost功能
認清PS5的可變頻率是一件重要的事，它被稱為“boost”，但它與手機或PC的CPU/GPU類似的技術不同，在手機或PC中，峰值性能和散熱空間直接相關，因此在更高的溫度環境下游戲幀率可能會降低，有時會變得非常低。這與家用主機的期望相矛盾，因為主機平臺期望所有的機器都能提供完全相同的性能。因此，PS5沒有使用這種方式來提高時鐘頻率。據索尼稱，無論環境溫度如何，所有PS5主機在任何環境下均會以相同的性能水平處理相同的工作負載。
那么在這種情況下boost是如何工作的？簡而言之，PS5的性能預算與散熱裝置的散熱極限有關。Mark Cerny說：“這是一個完全不同的例子，我們不是以恒定的頻率運行和讓性能根據工作負載而變化，而是以基本上恒定的性能運行并讓頻率根據工作負載而變化。”
一個內部監視器會分析CPU和GPU上的工作負載并調整頻率以匹配。Cerny在演講中解釋：“我們不是看硅芯片的實際溫度，而是看GPU和CPU所執行的活動，并在此基礎上設置頻率——這使一切都具有確定性和可重復性。在這個過程中，我們還使用了AMD的SmartShift技術，并將任何未使用的性能從CPU發送到GPU，這樣它就可以擠出更多的像素了。”
這一設計決策與微軟的Xbox Series X完全不同，這可能意味著開發人員將需要注意可能影響時鐘和降低性能的潛在功耗峰值。但對于索尼而言，這意味著PS5可以達到的GPU頻率要遠比我們預期的高，這些時鐘也高于PC領域現有AMD部件中的時鐘。這也意味著它可以從36個可用的RDNA 2計算單元中提取更多性能。
Mark Cerny不希望與過去、現在或將來的任何硬件進行比較，而是提出了一種有趣的假設方案—— 一個36個運算單元的圖形核心以1GHz運行，與一個48個運算單元其中部分以750MHz運行。兩者均提供了4.6TF的計算性能，但Cerny說游戲體驗將會有所不同。他解釋說：“性能明顯不同，因為'teraflops'被定義為ALU的計算能力。這只是GPU的一部分，還有很多其它的單元——當GPU頻率更高時，這些其它單元都運行得更快。頻率如果提高了33％，光柵化的速度會快33％，命令緩沖區的處理速度會大大提高，L1和L2緩存也會有高得多的帶寬，以此類推。唯一的缺點是系統內存在周期方面相差33％，但其帶來的好處遠不止于此。正如我的一個朋友所說，水漲船高。此外，與完全使用48個CU（運算單元）相比，完全并行使用36個CU要容易得多，當三角形較小時，要用有用的工作來填充所有這些CU要困難得多。”
索尼的想法是這樣的：較小的GPU可以成為更靈活、更敏捷的GPU，其推論是PS5的圖形核心應該能夠提供比你所預期的更高的性能，而TFLOPs的數字并不能準確地包含GPU的所有能力。開發人員在SoC (system on chip) 的性能限制下工作，他們的工作負載會影響運行中的頻率，但影響時鐘速度的是這些因素，而不是環境溫度。Cerny承認上一代硬件的散熱解決方案可能不是最佳選擇，盡管CPU和GPU的時鐘頻率很高，但以固定的性能預算下運行的概念能夠使散熱的概念更易于處理。
Cerny在演講中說：“從某種意義上講，這將成為一個更簡單的問題，因為不再有未知數，無需猜測最壞情況下的游戲可能具有的功耗。至于散熱解決方案的細節，我們今后在設備拆解的時候再談。我想你會對工程團隊的想法而感到滿意。”
PlayStation 5圖形核心
當處理器達到其功率極限并且組件降頻時會發生什么？Mark Cerny在演講中表示CPU和GPU不一定總是分別在3.5GHz和2.23GHz上運行。他說：“當最壞情況的出現時，它將以較低的時鐘速度運行，但是不會降低太多，將性能降低10％只需要降低幾個百分點的頻率，所以我認為任何降頻都是相當小的。綜合考慮各方面因素，向變頻方式的轉變將為PlayStation玩家帶來顯著的收益。”
在功能層面，Cerny揭示了一些功能，這些功能建議與其他即將面世的基于RDNA 2技術的AMD和AMD衍生產品持平。一個被稱為“幾何引擎”的新模塊為開發人員提供了對三角形和其他圖元的無與倫比的控制，并且很容易優化幾何剔除。功能擴展到“原始著色器”的創建，這聽起來與Nvidia Turing和即將推出的RDNA 2 GPU中的網格著色器非常相似。
盡管Cerny并未提及機器學習支持或可變速率著色等技術，但PS5確實通過其Intersection Engine提供了硬件加速的光線跟蹤，Cerny稱其“基于與AMD即將推出的PC GPU相同的策略”。外界曾猜測會有一個外部模塊，但事實并非如此——像下一代Navi和Xbox Series X一樣，光線追蹤硬件是內置在著色器中并完全集成的。與RDNA實現類似，PS5將可以實現我們在PC領域看到的相同光追——反射、環境光遮擋、陰影和全局照明都是很好的選擇。
Cerny說：“我們能走多遠呢？我開始變得相當樂觀了。我已經看到過一款PS5游戲，它可以在復雜的動畫場景中成功地使用基于光線跟蹤的反射，而且成本也很低。”
SSD如何實現次世代夢想
SoC芯片的性質及其功能很重要，然而，從演講中可以清楚地看出Mark Cerny有著非常不同的優先級，這里有兩個非常具體的組件：SSD（固態硬盤）和一個稱為“Tempest引擎”的出色的3D音頻硬件。
索尼在固態存儲領域投入了雙倍下注，每隔幾年Mark Cerny都會環游世界與數十位開發人員和發行商會面，而集成SSD是次世代的首要需求。索尼讓PS5的存儲性能比PS4快了兩個數量級，2GB的數據可以在四分之一秒內加載，這意味著從理論上講PS5的整個16GB內存容量可以在兩秒鐘內被填滿 。Cerny說：“作為游戲創造者，我們從試圖分散玩家快速傳送時要花費多久時間的注意力（比如蜘蛛俠坐地鐵），到現在這么快以至于我們甚至不得不放慢這種過渡。”
要使性能提高兩個數量級，就需要大量定制硬件才能將SSD無縫連接到主處理器。定制閃存通過12通道接口與SSD模塊結合，可以提供所需的5.5GB/s的性能以及總共825GB的存儲空間。這聽起來可能是一個奇怪的數字，因為消費者的SSD通常是512GB、1TB或更大，但索尼的解決方案是專有的，825GB是12通道接口的最佳選擇，而且還有其他優勢。簡而言之，索尼擁有更多的自由來調整其設計：“我們可以研究可用的NAND閃存部件，然后設計出性價比最高的產品。有人可能認為打造一個M.2硬盤沒有這種自由，如果它不是那些標準尺寸之一，將很難營銷和銷售。”
控制器本身通過四通道PCI Express 4.0互連連接到主處理器，并包含了許多旨在消除SSD瓶頸的定制硬件模塊。該系統具有六個優先級，這意味著開發人員可以根據游戲的需求來考慮數據的優先級。該控制器支持行業標準ZLIB的硬件解壓縮，也支持RAD Game Tools的新Kraken格式，該格式可額外提供10％的壓縮效率。那么底線呢？5.5GB的帶寬相當于每秒輸入系統的有效帶寬為8G或9G。Cerny透露：“順便說一句，就性能而言，定制的解壓縮器相當于9個我們的Zen 2核心，這就是用傳統CPU對Kraken流進行解壓縮的過程。”
一個專用的DMA控制器（在性能上相當于一個或兩個Zen 2核心）將數據定向到所需的位置，而兩個專用的定制處理器則處理I/O和內存映射。最重要的是，一致性引擎像管家一樣運作。Cerny在演講中解釋說：“一致性在很多地方都出現了，可能最大的一致性問題是GPU緩存中的陳舊數據。在讀取SSD時刷新所有GPU緩存是沒有吸引力的選擇，它可能會損害GPU性能，因此我們采用了一種更溫和的處理方式，在這里，一致性引擎會將覆蓋的地址范圍通知給GPU，而數十個GPU緩存中的定制清理程序會精確地逐出這些地址范圍。”
所有這些都交付給開發人員而無需他們做任何事情。定制硅甚至可以解決解壓問題， Cerny解釋說：“你只需指出要從原始的未壓縮文件中讀取哪些數據，以及將數據放置在什么位置，然后整個加載過程就會在你不可見的情況下以非常快的速度進行。”
△PS5內置的固態硬盤與PS4機械硬盤的速度對比
索尼如何應對擴展存儲
自Mark Cerny首次揭示SSD的特性以來，人們就一直在問擴展存儲。當你已經填滿了分配給你的825GB存儲空間時會發生什么？
首先，PS5支持向下兼容——你可以通過從常規的外部存儲設備運行老游戲來節省空間，它不會像從內部SSD啟動那么快，但這將為需要的次世代游戲騰出空間。一旦達到了限制，我們覺得游戲可以備份到標準的硬盤上，但是有一個選項可以增加SSD的存儲空間——NVMe PC硬盤可以在PS5上使用。唯一的問題是PC技術遠遠落后于PS5，更新的基于PCIe 4.0的硬盤需要一些時間才能上市，它的帶寬要求符合索尼的規格。
然后，索尼還需要對其進行驗證以確保它們可以正常工作。 PS5將擁有一個NVMe插槽，但硬盤的兼容性至關重要，這不只是帶寬問題。 PS5的規格為開發人員提供了六個優先級，而NVMe規格只有兩個。
Mark Cerny說：“我們肯定可以只將兩個優先級連接到一個硬盤上，但是我們的定制I/O單元必須仲裁額外的優先級——而不是M.2硬盤的閃存控制器——因此M.2硬盤需要一點額外的速度來處理由不同方法引起的問題。這個商用硬盤還需要在物理上適應我們在PS5中為M.2硬盤所打造的托架。與內置硬盤不同，不幸的是M.2硬盤的高度沒有標準，并且某些M.2硬盤具有巨大的散熱器，其中一些甚至擁有自己的風扇。”
雖然內部SSD解決方案是專有的并且有著非標準的容量，但這不會影響兼容的M.2硬盤的存儲容量，如果你購買了1TB或2TB的硬盤，你就會擁有這么多存儲空間。Cerny說：“ M.2硬盤將擁有自己的閃存控制器，并具有與其NAND閃存晶粒自己的（不可見的）內部接口。我們不知道或不需要知道該內部接口的詳細信息，或者通過接口連接的NAND閃存的大小和類型。重要的是M.2硬盤的外部接口（例如第四代PCIe的四個通道，這樣它就可以連接到我們的閃存控制器）以及它可以通過該接口支持的讀取帶寬。”
簡單來說，擴展存儲是可能的，你不需要索尼的專用硬盤來獲得你想要的額外空間。但是至少在短期內的建議很簡單：如果你打算在PlayStation 5上使用NVMe硬盤，請不要購買沒有經過索尼認證的NVMe硬盤。還要記住，超高帶寬的PCIe 4.0 NVMe硬盤可能非常昂貴，至少在短期內，畢竟這是尖端技術。但是很顯然，隨著次世代的發展前景將顯著改善，而價格則會隨著時間的推移而明顯下降。
△PS5將會向下兼容PS4游戲。在PS5上市時，PS4上最常被游玩的前100款熱門游戲基本上都將立即支持向下兼容。
通過Tempest Engine實現前所未有的3D音頻保真度
在與Mark Cerny交談時，他感嘆自己在與開發商和發行商的定期訪問中幾乎見不到音頻工程師，而為了提供次世代的音頻體驗，索尼自己不得不采取行動了。音頻本身在當前世代的服務水平一直很差，通常只能得到Jaguar核心的一小部分來提供7.1環繞聲，遠遠低于PS3時代所享受的音頻。實際上，Cerny指出PSVR是當代環繞聲的標準持有者，因為它具有可支持“ 50個相當不錯的音源”的定制音頻單元。而PS5的新Tempest Engine支持數百個，并且質量更高。
在當今的游戲中下雨是一種簡單的聲音。借助Tempest Engine，PlayStation 5旨在通過模擬各個雨滴撞擊到你周圍地面的聲音，營造出真正處于淋浴中間的感覺。這更多的是能夠精確跟蹤物體的位置，而實現這一目標的科學技術是令人驚訝的，因為這必須考慮到你的耳朵的形狀，甚至是頭部的大小和形狀。
為了精確模擬定位，索尼需要生成一個表，這稱為“與頭部相關的傳遞函數”（Head-related Transfer Function - HRTF）。可以通過處理該表中的音景來模擬如何感知音頻，可以說這是一項計算量巨大的任務。 Tempest Engine實際上是經過重新設計的AMD GPU計算單元，剝離了其緩存并僅依靠DMA傳輸，就像PS3 SPU（協處理單元）一樣。反過來說，這為充分利用運算單元的矢量單位打開了大門。
Mark Cerny在演講中透露：“最終我們得到的單元，其SIMD功率和帶寬與PS4中所有八個Jaguar核心的總和大致相同。如果我們使用與PSVR相同的算法，那么對于5000個聲源來說都足夠了——但是當然我們要使用更復雜的算法，而不需要像這么多的聲音。”
簡而言之，“Tempest Engine”開啟了游戲音頻真正的革新之門，盡管這個系統在達到最大潛力方面還面臨著挑戰，但有一件事你不需要擔心，那就是購買高端音頻硬件來享受這種體驗。在短期內簡單的解決方案是使用耳機：兩個耳朵和兩個揚聲器就是你所需要的全部，剩下的交給Tempest引擎來處理。展望未來，索尼對電視揚聲器和SoundBar的虛擬環繞聲帶來的出色效果感到樂觀，多揚聲器系統也將獲得支持。
然而環繞立體聲音響系統的野心是如此之大，以至于我們可能在一段時間內看不到它的潛力得到充分發揮。通過HRTF系統處理音頻的挑戰在于每個人的頭和耳朵都是不同的，索尼為大約一百個人設計了HRTF并提供了發售時的五個預設方案。配置工具將確保為你選擇最佳的方案。但是很顯然，能夠輸入你自己的HRTF才能呈現出最終的體驗，而實現這一目標正在研究當中。
Mark Cerny說：“也許你可以向我們發送你的耳朵照片，然后我們將使用神經網絡來選擇庫中最接近的HRTF。也許你會向我們發送你的耳朵和頭部的視頻，我們將會制作出3D模型然后合成HRTF。也許你會玩一個音頻游戲來調整HRTF，我們會巧妙地在你玩游戲時進行更改，并在HRTF上給你最高的分數，這意味著它最適合你。這是我們在未來幾年內將共同經歷的旅程。最終，我們致力于使每個人都能體驗到更高層次的現實主義。”
以上就是本次索尼透露給大家的PS5的一些特性，當然，我們距離PS5完全解開謎底還有一段距離。
