PlayStation 5 revelado: o mergulho profundo na tecnologia Mark Cerny | Parte 1

#Artigo Publicado por Syegrayn, em Thu, 02 Apr 2020 14:44:00 -0300 [Full].

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Em 18 de março, a Sony finalmente abriu as portas com informações detalhadas sobre a composição técnica do PlayStation 5. Expandindo significativamente os tópicos discutidos anteriormente e revelando muitas novas informações sobre as principais especificações do sistema, o principal arquiteto de sistemas Mark Cerny entregou uma apresentação centrada nos desenvolvedores que expôs as bases do PlayStation 5: potência, largura de banda, velocidade e imersão. Alguns dias antes do início da palestra, a Digital Foundry falou em profundidade com Cerny sobre os tópicos abordados. Algumas dessas discussões informaram nossa cobertura inicial, mas temos mais informações. Muito mais.

Mas, para ficar claro aqui, tudo nesta peça se concentra nos tópicos da discussão de Cerny. Há muito o que assimilar aqui, mas o que você não receberá são mais revelações sobre a estratégia do PlayStation 5 - e não foi por falta de perguntar. Em nossa reunião anterior, em 2016, Cerny falou profundamente sobre como a Sony estava ligada ao conceito de geração de console e o hardware revelado certamente atesta isso. Então, o desenvolvimento entre gerações é algo para os desenvolvedores primários? Enquanto enfatiza mais uma vez que ele entende tudo sobre o conceito de gerações de console (em oposição à inovação mais gradual e ao estilo PC), ele não quis falar sobre estratégia de software e, para ser justo, essa não é realmente a sua área.

Cerny também entregou o PlayStation 4 - que ele definiu como 'arquitetura de PC sobrealimentada' em 2013. Foi uma abordagem que ajudou a proporcionar uma era de ouro multiplataforma para o desenvolvedor... mas é o PlayStation 5 um retorno à uma filosofia 'exótica' que vimos na concepção de console da geração anterior? Cerny compartilhou pouco, exceto para dizer que o projeto do PS5 é fácil para os desenvolvedores do PlayStation 4, mas, aprofundando-se nos recursos do novo sistema, há muitos aspectos da concepção do PS5 aos quais os PCs terão dificuldade em combinar.

No entanto, aprofundando os tópicos abordados em sua apresentação para desenvolvedores, Mark Cerny ganha vida. Há uma paixão e entusiasmo óbvios e genuínos pelo hardware que ele ajudou a desenvolver - e é aí que você obterá o máximo valor neste artigo. Em nossa reunião on-line, abordamos diversos tópicos:

• O inovador boost clock do PlayStation 5 - como funciona realmente?

• O que era necessário do ponto de vista da CPU para oferecer compatibilidade com versões anteriores?

• Quais são as vantagens cruciais do SSD e como elas são entregues?

• Como o áudio 3D realmente funciona - e quão poderoso é o mecanismo Tempest?

• Como o novo sistema de áudio 3D faz interface com os alto-falantes da TV e as configurações surround 5.1 / 7.1?

Sem dúvida, o que se segue é profundo e do lado técnico - uma chance de explorar mais completamente alguns dos tópicos levantados na apresentação. Algumas vezes durante toda a conversa, Cerny sugeriu mais pesquisas, uma das razões pelas quais não conseguimos (de fato, não conseguimos) ir ao ar imediatamente após o evento. É desnecessário dizer que, antes de continuar, eu recomendo assistir a apresentação de Mark na íntegra, se você ainda não o fez. Está bem aqui.

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Os boost clocks do PlayStation 5 e como eles funcionam

Uma das áreas sobre as quais eu estava particularmente interessado em falar era o boost clock do PlayStation 5 - uma inovação que essencialmente fornece ao sistema no chip um orçamento de energia definido com base na dissipação térmica do conjunto de resfriamento. Curiosamente, em sua apresentação, Mark Cerny reconheceu as dificuldades de resfriar o PlayStation 4 e sugeriu que ter um orçamento máximo de energia realmente tornava o trabalho mais fácil:

Como não há mais incógnitas, não há necessidade de adivinhar qual consumo de energia o pior cenário pode ter. Quanto aos detalhes da solução de resfriamento, estamos guardando-os para nossa desmontagem. Acho que você ficará muito feliz com o que a equipe de engenharia apresentou.

Independentemente disso, o fato é que existe um nível de potência definido para o SoC. Quer se trate de telefones celulares, tablets ou mesmo de CPUs e GPUs para PC, os boost clocks historicamente levaram ao desempenho variável de um exemplo para o outro - algo que simplesmente não pode acontecer em um console. O seu PS5 não pode funcionar mais devagar ou mais rápido que o do seu vizinho. Os desafios de desenvolvimento seriam onerosos, para dizer o mínimo. Mark Cerny explica:

Não usamos a temperatura atual do chip, pois isso causaria dois tipos de variação entre os PS5s. Uma é a variação causada por diferenças na temperatura ambiente; o console pode estar em um local mais quente ou mais frio da sala. O outro é a variação causada pelo chip personalizado individual no console, alguns chips ficam mais quentes e outros mais frios. Então, em vez de usar a temperatura da matriz, usamos um algoritmo no qual a frequência depende das informações de atividade da CPU e da GPU. Isso mantém o comportamento entre os PS5s consistente.

Dentro do processador, há uma unidade de controle de energia, que mede constantemente a atividade da CPU, da GPU e da interface da memória, avaliando a natureza das tarefas que estão realizando. Em vez de julgar o consumo de energia com base na natureza do seu processador específico do PS5, é usado um 'modelo SoC' mais geral. Pense nisso como uma simulação de como o processador provavelmente se comportará, e essa mesma simulação é usada no coração do monitor de energia em todos os PlayStation 5, garantindo consistência em todas as unidades. Cerny diz:

O comportamento de todos os PS5s é o mesmo. Se você joga o mesmo jogo e vai para o mesmo local do jogo, não importa qual chip personalizado você possui e como são seus transistores. Não importa se você o coloca em seu gabinete estéreo ou em sua geladeira, seu PS5 terá as mesmas frequências de CPU e GPU que qualquer outro PS5.

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O feedback dos desenvolvedores viu duas áreas em que os desenvolvedores tiveram problemas - o conceito de que nem todos os PS5s serão executados da mesma maneira, algo abordado pelo conceito de Model SoC. A segunda área era a natureza do boost. As frequências atingem um pico por um determinado período de tempo antes de voltar atrás? É assim que o boost do smartphone tende a operar. Cerny acrescenta:

A constante de tempo, ou seja, a quantidade de tempo que a CPU e a GPU levam para atingir uma frequência que corresponde à sua atividade, é crítica para os desenvolvedores. É bastante curto, se o jogo estiver executando um processamento intensivo de energia por alguns quadros, então ele é acelerado. Não há um atraso em que o desempenho extra esteja disponível por vários segundos ou vários minutos e o sistema seja acelerado; isso não é o mundo em que os desenvolvedores querem viver - garantimos que o PS5 seja muito responsivo à energia consumida. Além disso, os desenvolvedores têm feedback sobre exatamente quanta energia está sendo usada pela CPU e GPU.

Mark Cerny vê um momento em que os desenvolvedores começarão a otimizar seus mecanismos de jogo de uma maneira diferente - para alcançar o desempenho ideal para o nível de potência especificado:

O poder desempenha um papel ao otimizar. Se você otimizar e manter o poder da mesma forma, verá todos os benefícios da otimização. Se você otimizar e aumentar o poder, estará devolvendo um pouco do desempenho. O que é mais interessante aqui é a otimização do consumo de energia, se você puder modificar seu código para que ele tenha o mesmo desempenho absoluto, mas energia reduzida, isso é uma vitória.

Em resumo, a idéia é que os desenvolvedores aprendam a otimizar de uma maneira diferente, obtendo resultados idênticos da GPU, mas fazendo isso mais rapidamente por meio de clocks aprimorados entregues otimizando o consumo de energia. Cerny acrescenta:

A CPU e a GPU têm um orçamento de energia, é claro que o orçamento de energia da GPU é o maior dos dois. Se a CPU não usar seu orçamento de energia - por exemplo, se estiver limitada a 3,5 GHz -, a parte não utilizada do orçamento será direcionada à GPU. É o que a AMD chama de SmartShift. Existe energia suficiente para a CPU e a GPU potencialmente executado em seus limites de 3,5 GHz e 2,23 GHz, não é o caso que o desenvolvedor tenha que optar por executar um deles mais lentamente.

Mark Cerny continua explicando:

Há outro fenômeno aqui, chamado 'corrida para o ócio'. Vamos imaginar que estamos rodando a 30Hz e estamos usando 28 milissegundos do nosso orçamento de 33 milissegundos, para que a GPU fique inativa por cinco milissegundos. A lógica de controle de energia detectará que a baixa energia está sendo consumida - afinal, a GPU não está fazendo muito por esses cinco milissegundos - e concluirá que a frequência deve aumentar. Mas isso é um aumento desnecessário na frequência.

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Nesse ponto, os clocks podem ser mais rápidos, mas a GPU não tem trabalho a fazer. Qualquer aumento de frequência é totalmente inútil. Cerny explica:

O resultado final é que a GPU não trabalha mais, em vez disso, processa o trabalho atribuído mais rapidamente e fica ociosa por mais tempo, apenas aguardando o v-sync ou algo semelhante. Usamos 'corrida para o ócio' para descrever esse aumento inútil na frequência de uma GPU. Se você construir um sistema de frequência variável, o que verá com base nesse fenômeno (e há um equivalente no lado da CPU) é que as frequências geralmente são limitadas ao máximo! Isso não é significativo; Para fazer uma declaração significativa sobre a frequência da GPU, precisamos encontrar um local no jogo em que a GPU seja totalmente utilizada por 33,3 milissegundos em um quadro de 33,3 milissegundos.

Então, quando eu afirmei que a GPU passaria a maior parte do tempo na sua frequência mais próxima, ou seja, com a 'corrida para o ocioso' removida da equação - estávamos olhando os jogos do PlayStation 5 em situações em que todo o mesmo estava sendo usado produtivamente. O mesmo vale para a CPU, com base no exame de situações em que ela tem alta utilização em todo o quadro, concluímos que a CPU passará a maior parte do tempo na frequência de pico.

Simplificando, com a corrida para ócio fora da equação e a CPU e a GPU totalmente usadas, o sistema de boost clock ainda deve ver os dois componentes rodando perto ou na frequência de pico na maioria das vezes. Cerny também enfatiza que o consumo de energia e a velocidade do clock não têm uma relação linear. A queda da frequência em 10% reduz o consumo de energia em cerca de 27%. "Em geral, uma redução de energia de 10% é apenas uma redução de frequência de alguns por cento", enfatiza Cerny.

É uma abordagem inovadora e, embora o esforço de engenharia envolvido seja provavelmente significativo, Mark Cerny resume sucintamente:

Uma das nossas descobertas foi encontrar um conjunto de frequências onde o hotspot - ou seja, a densidade térmica da CPU e da GPU - é o mesmo. E foi o que fizemos. Eles são equivalentes fáceis de esfriar ou difíceis de esfriar - como você quiser chamar.

Provavelmente há mais a descobrir sobre como o boost influenciará o design do jogo. Vários desenvolvedores que conversaram com a Digital Foundry declararam que seu trabalho atual no PS5 os vê desacelerando a CPU para garantir um clock de 2,23 GHz sustentado no núcleo gráfico. Faz todo o sentido, já que a maioria dos mecanismos de jogos agora é projetada com o Jaguar de baixo desempenho - mesmo uma duplicação da taxa de transferência (ou seja, 60fps vs 30fps) dificilmente sobrecarregaria os núcleos Zen 2 do PS5. No entanto, isso não parece uma solução de boost, mas perfis de desempenho semelhantes aos que vimos no Nintendo Switch. Cerny explica:

Em relação aos perfis bloqueados, apoiamos aqueles em nossos kits de desenvolvimento; pode ser útil não ter relógios variáveis ao otimizar. Os jogos PS5 lançados sempre recebem frequências aprimoradas para que possam tirar proveito da energia adicional.

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Mas e se os desenvolvedores não otimizarem especificamente o teto de energia do PlayStation 5? Eu me perguntava se havia frequências de "pior cenário" que os desenvolvedores pudessem solucionar - um equivalente aos clocks base que os componentes do PC possuem. Mark Cerny rebate:

Os desenvolvedores não precisam otimizar de forma alguma; se necessário, a frequência se ajustará às ações que a CPU e a GPU estiverem executando. Acho que você está perguntando o que acontece se houver um pedaço de código intencionalmente escrito para que todos os transistores (ou o número máximo possível de transistores) na CPU e na GPU sejam ativados a cada ciclo. Essa é uma pergunta bastante abstrata, os jogos não são em qualquer lugar próximo a essa quantidade de consumo de energia. De fato, se esse código fosse executado nos consoles existentes, o consumo de energia ficaria bem fora da faixa operacional pretendida e é até possível que o console entre em desligamento térmico. O PS5 lidaria com um pedaço de código tão irrealista mais graciosamente.

No momento, ainda é difícil entender o boost e até que ponto os clocks podem variar. Também houve alguma confusão sobre a compatibilidade com versões anteriores, onde os comentários de Cerny sobre a execução dos 100 melhores jogos do PlayStation 4 no PS5 com desempenho aprimorado foram mal interpretados, significando que apenas uma quantidade relativamente pequena de títulos seria executada no lançamento. Isso foi esclarecido alguns dias depois (espera-se a execução de milhares de jogos), mas a natureza da compatibilidade com versões anteriores no PlayStation 5 é fascinante.

O PlayStation 4 Pro foi desenvolvido para oferecer um desempenho superior ao de sua contraparte básica, a fim de abrir a porta para o suporte a telas 4K, mas a compatibilidade era fundamental. Uma configuração de GPU 'borboleta' foi implantada, que basicamente dobrou no núcleo gráfico, mas com velocidades de clock à parte, a CPU tinha que permanecer a mesma - o núcleo Zen não era uma opção. Para o PS5, é adicionada lógica extra à GPU RDNA 2 para garantir a compatibilidade com o PS4 e PS4 Pro, mas e o lado da CPU da equação? Mark Cerny diz:

Toda a lógica do jogo criada para os processadores Jaguar funciona corretamente nos processadores Zen 2, mas o tempo de execução das instruções pode ser substancialmente diferente. Trabalhamos coma AMD para personalizar nossos núcleos Zen 2 específicos; eles têm modos em que podem aproximar-se mais da temporização da Jaguar. Estamos mantendo isso no bolso traseiro, por assim dizer, à medida que prosseguimos com o trabalho de compatibilidade com versões anteriores.

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