Microsoft svela Xbox Series X: primo sguardo all'hardware next gen

Microsoft non intende fermarsi. È questo il messaggio più importante lanciato oggi, le specifiche tecniche della prossima Xbox Series X passano quasi in secondo piano di fronte alla volontà dell'azienda americana di portare avanti il progetto nonostante le incertezze del mercato odierno. Se attendavamo una risposta sul possibile rinvio delle console di nuova generazione, forse oggi l'abbiamo avuta ed è negativa, nel frattempo però non mancano gli spunti per comprendere al meglio cosa arriverà nei negozi.

Finora Microsoft ha comunicato molte informazioni ma mantenendosi sempre piuttosto vaga, questa volta la carne al fuoco è tanta, a partire dalle caratteristiche della GPU fino ai sistemi di gestione della memoria. La cosa certa è che, leggendo le specifiche, possiamo essere piuttosto ottimisti su alcuni degli obbiettivi posti finora, soprattutto se si considera l'ottimizzazione che contraddistingue da sempre il mondo console.

Tanta potenza da gestire

La potenza genera calore, e il calore racchiuso in uno spazio ristretto come quello disponibile in una console è un problema. Fortunatamente, il processo produttivo a 7 nm+ e il sistema di dissipazione utilizzato su Xbox Series X permettono oggi di raggiungere un'efficienza impossibile per le console attuali. Nonostante una potenza nettamente superiore, il SoC creato da AMD ha dimensioni molto contenute, di 360.45 mm2, è addirittura più piccolo di quello di Xbox One X, che misura 366.94 mm2. La densità dei transistor contenuti nel SoC è raddoppiata rispetto Xbox One X, un risultato incredibile, ma la cui potenza deve essere gestita per evitare pericolosi surriscaldamenti.

Il calore può portare a guasti nell'hardware, o nella migliore delle ipotesi all'insorgere del thermal throttling, che abbassa le frequenze di funzionamento per ridurre il calore generato dal SoC, una tecnica che funziona ma che può diminuire molto le prestazioni.

Le immagini e i video diffusi sull'organizzazione interna delle componenti mostrano due elementi principali per la dissipazione del calore. Il primo è un grande dissipatore con una base in rame, dotata di Vapor Chamber (per approfondire recuperate il nostro speciale sul Vapor Chamber), a contatto con il SoC, e con alette di alluminio. Realizzare l'intero dissipatore in rame avrebbe aumentato ancora di più la dispersione del calore, ma i costi sarebbero saliti, ecco perché l'utilizzo di due materiali appare una scelta più equilibrata.

Il secondo è la grande ventola posta nella parte alta del case, il cui raggio d'azione va a coprire in pratica tutte le componenti. In quanto unico elemento attivo del sistema di dissipazione, almeno per quanto possiamo osservare dalle immagini, le sue dimensioni maggiorate sono un vantaggio evidente, perché permettono di spostare un volume d'aria maggiore diminuendo i giri al minuto, a tutto vantaggio del comfort acustico. Sistema di dissipazione e processo produttivo sono fondamentali per creare console potenti ed efficienti sul fronte energetico, non possiamo sapere se il design scelto da Microsoft sarà davvero efficace, ma almeno ora è chiaro il motivo che ha portato alla creazione di una console a sviluppo verticale.

Una CPU mai vista su una console

L'Hyper-Threading di Intel e il Simultaneous Multithreading (SM) di AMD sono tecnologie ampiamente diffuse in ambito PC. Queste permettono, in modi diversi, di raddoppiare il numero di thread che il processore è in grado di gestire contemporaneamente, assegnando due di essi, anche molto diversi, a un singolo Core fisico.

Il processore Zen 2 inserito all'interno di Xbox Series X ne ha 8 totali e supporta il Simultaneous Multithreading, per cui lo scheduler del sistema operativo può assegnare fino a 16 thread totali. In parole povere, la CPU è in grado di portare a termine il doppio delle operazioni sfruttando dei Core non fisicamente presenti al suo interno.

L'attuale processore di Xbox One X ha 8 Core senza nessuna tecnologia che permette di raddoppiarli, la CPU di Xbox Series X invece offre massima versatilità sotto questo fronte. Quando vengono utilizzati 8 Core la frequenza massima è di 3.8 GHz, quando invece viene impiegato il Simultaneous Multithreading questa scende a 3.6 GHz.

Cosa significa questo? Che nei titoli in cui è necessaria una maggiore parallelizzazione nell'elaborazione dei dati gli sviluppatori possono contare su un numero maggiore di processi gestiti contemporaneamente, quando invece serve maggiore potenza bruta possono semplicemente disattivare questa funzione, ottenendo così frequenze di clock più elevate.

Andrew Goossen, Xbox System Architect, ha precisato sulle pagine di Digital Foundry che, almeno per ora, gli sviluppatori sembrano preferire la modalità a 8 Core con frequenze più alte, un po' come avviene su PC, dove il numero di Core ha un impatto inferiore sulle prestazioni nei giochi rispetto alle frequenze. Resta il fatto che si tratta di un'arma in più nelle mani degli sviluppatori, che possono così scegliere al meglio la modalità più adatta al singolo titolo.

Una GPU più potente di quanto ci aspettavamo

La GPU integrata nel SoC di Xbox Series X è un piccolo mostro di potenza. Basata su architettura RDNA 2, integra al suo interno il supporto all'accelerazione hardware del Ray Tracing attraverso unità di calcolo dedicate, un po' come gli RT Core delle schede video RTX di NVIDIA. Questo libera le unità di calcolo più "generiche", impiegando quelle specializzate nella gestione delle intersezioni della luce nell'ambiente di gioco, alla base del Ray Tracing (maggiori informazioni nel nostro speciale dedicato). Secondo Andrew Goossen sommando la potenza di tutte le unità di calcolo della GPU si arriva a 25 TFLOPs complessivi. Un dato che aggrega unità di calcolo pensate per scopi differenti, questo va precisato, ma che rappresenta bene la potenza di questo chip grafico.

A stupire è il numero di Compute Unit, 52 in tutto, che portano a 3328 gli Stream Processor disponibili. In realtà le Compute Unit sono 56 in totale, ma quattro sono disabilitate per prevenire eventuali errori produttivi, aumentando così l'efficienza nella realizzazione dei SoC. La frequenza di funzionamento è di 1825 MHz mentre il bus è a 320 bit.

In tutto sono disponibili 16 GB di RAM GDDR6 installati sulla scheda madre, quindi all'esterno del SoC, che funzionano a una velocità di 14 Gbps. La loro gestione è piuttosto particolare, 10 GB di questi infatti lavorano a 560 GB/s (GPU Optimal Memory) e sono pensati espressamente per essere utilizzati dalla GPU, mentre gli altri 6 GB lavorano a 336 GB/s (Standard Memory) e sono invece pensati per la CPU. A disposizione dei giochi ci saranno in tutto 13.5 GB di memoria, che comprendono 10 GB dalla GPU Optimal Memory e 3.5 GB di Standard Memory, lasciando al sistema operativo 2.5 GB per la sua gestione durante il gioco.

Secondo Microsoft, l'hardware di Xbox Series X dovrebbe fornire la potenza necessaria per gestire il 4K a 60 fps, salendo a 120 fps per i titoli più leggeri. Anche in questo caso agli sviluppatori è offerta la massima flessibilità, possono scegliere tra un frame rate più basso ma con maggiore dettaglio grafico oppure un frame rate alto ma con qualche rinuncia sul fronte della qualità. Ovviamente queste considerazioni sono basate sui giochi dell'attuale generazione, bisognerà capire come l'aumento del dettaglio grafico dei titoli next-gen andrà ad impattare sulle prestazioni.

Facendo un confronto con la RX 5700 XT, la più potente GPU di AMD disponibile oggi su PC, possiamo essere cautamente ottimisti sulla possibilità che il 4K a 60 fps diventi lo standard su console, con settaggi Alti.

Questa scheda ha infatti 40 Compute Unit e 2560 Stream Processor, con 8 GB di memoria video, e riesce gestire il 4K quasi sempre tra i 30 e i 40 fps a seconda del titolo, con impostazioni Ultra. Grazie alle 768 unità di calcolo in più, alla maggiore memoria e all'ottimizzazione, da sempre punto debole del mondo PC, possiamo oggi affermare che l'obiettivo del 4K a 60 fps sembra davvero alla portata, anche con Ray Tracing attivo, visto che della sua gestione se ne occupano delle unità di calcolo dedicate. Sicuramente questo non sarà possibile con tutti i giochi, ma la potenza non manca di certo alla console Microsoft. Anche in questo caso, basiamo il nostro giudizio sui titoli attualmente disponibili, come sarà con quelli del prossimo futuro è ancora tutto da scoprire.

Ottimizzazione Next-Gen

L'ottimizzazione sarà fondamentale per raggiungere l'obbiettivo dei 60 fps in 4K nei titoli più pesanti, per questo in aiuto arrivano tecnologie di nuova generazione prese direttamente dal mondo PC, come il deep learning applicato al gaming. Lo abbiamo visto nelle GPU RTX di NVIDIA con il nome di DLSS (per approfondire l'argomento vi rimandiamo al nostro speciale dedicato al Ray Tracing e il DLSS).

Nella sostanza il DLSS è una tecnica di post processing, basata sul Deep Learning, che applica un super-sampling alle immagini, migliorando così la risoluzione data in input di partenza, aggiungendo poi una sorta di anti-aliasing. L'implementazione di NVIDIA prevede delle unità di calcolo dedicate a questo specifico compito, i Tensor Core, che sfruttano i dati generati dal supercomputer SATURNV per applicare l'effetto nei singoli giochi.

Queste unità di calcolo non sono presenti nella GPU di Xbox Series X, ma possono essere simulate utilizzando i semplici Stream Processor. La soluzione di NVIDIA è più efficiente e libera gli Stream Processor da questo compito, ma è anche più costosa. AMD, grazie alle DirectX 12 di Microsoft, riesce gestire le operazioni di calcolo destinate ai Tensor Core anche senza la loro presenza, sfruttando la potenza della GPU.

Questa offre 12 TFLOPs con calcoli FP32 e il doppio con quelli FP16. Gli algoritmi di gestione del DLSS e simili necessitano però di minore precisione, trattandosi spesso di calcoli a 8 o 4 bit. Per questo è stato inserito un hardware dedicato per consentire agli Stream Processor di generare prestazioni migliori in scenari di questo tipo, resta da capire quale sarà l'impatto sulle prestazioni e se la resa sarà paragonabile a quella vista sulle schede video NVIDIA. Ricordiamo inoltre che unità di calcolo di questo tipo possono essere utilizzate anche al di fuori della grafica, andando a impattare anche sull'intelligenza artificiale nei giochi se sfruttate a dovere.

Altro modo interessante per risparmiare preziose risorse è ilVariable Rate Shading, una tecnica che diminuisce il livello di dettaglio, abbassando le operazioni di shading, in base alle diverse zone dello schermo. L'occhio umano non percepisce la stessa quantità di dettagli in tutte le aree dell'immagine, in questo modo si possono tagliare i calcoli non necessari liberando potenza grafica da impiegare in altri contesti.

C'è poi il mesh shading, pensato per accelerare le operazioni grafiche in presenza di un grande numero di oggetti su schermo. NVIDIA ha mostrato questa tecnica creando una demo in cui 350 mila asteroidi vengono renderizzati contemporaneamente.

Anche questa basa il suo funzionamento sull'eliminazione di tutti gli elementi grafici superflui, quelli invisibili ad esempio, perchè coperti da altri mostrati sullo schermo. In questo modo è possibile aumentare il dettaglio solo degli oggetti più in vista, agendo poi sul LOD (Level of Detail) dei singoli asset in base al punto di osservazione. Grazie al mesh shading gli oggetti visibili possono contare su un dettaglio e su un numero di poligoni più elevato, liberando anche la CPU da compiti più facilmente gestibili dalla GPU, nettamente superiore nei calcoli in parallelo.

Finalmente arriva l'SSD su console

Una console di nuova generazione non può fare a meno di un SSD. La velocità di lettura e scrittura concessa dallo standard PCI-ex 4 in coppia con un disco NVMe surclassa sotto ogni punto di vista quella dell'attuale generazione. I dati diffusi da Microsoft parlano di 2.4 GB/s per Series X contro i 120 MB/s per One X, per un totale di 1 TB di spazio disponibile. Ma la novità non è solo nella velocità di trasferimento dei dati, perché Microsoft ha messo a disposizione degli sviluppatori un vero e proprio buffer aggiuntivo rispetto alla RAM di sistema, parte della tecnologia Xbox Velocity Architecture. Questa si basa su un SSD NVMe proprietario, su hardware dedicato alla compressione dei dati, sulle API Direct Storage e sul Sample Feedback Streaming per offrire agli sviluppatori fino a 100 GB di spazio per gli asset grafici, ad esempio per le texture in 4K, una novità mai vista prima e ancora tutta da scoprire.

La compressione dei dati, gestita da un chip dedicato, porta la banda passante da 2.4 GB/s fino a oltre i 6 GB/s. In questo modo, l'elemento che occupa più memoria, ovvero le texture, può essere spostato dalle GDDR6 a quella di sistema, non sappiamo in quali casi questo è possibile e come sarà implementata questa tecnologia, ma si tratta di un'arma in più nelle mani degli sviluppatori, che potranno così creare mondi di gioco più ricchi e complessi.

L'utilizzo di un hardware dedicato alla decompressione dei dati poi diminuisce il carico di lavoro sulla CPU. Nelle situazioni più complesse la decompressione dei dati può occupare fino a 5 Core del processore, mentre in Xbox Series X questa incide solo per un decimo sulla potenza di una singola unità di calcolo, un risultato impressionante e che libera ulteriore potenza.

L'uso della memoria è stato ottimizzato tramite una tecnica chiamata Sampler Feedback Streaming, che carica in modo intelligente solo le texture davvero necessarie per la rappresentazione della scena. La velocità dell'SSD di Xbox Series X viene usata anche in modo più semplice ma comunque creativo, come ad esempio per il Quick Resume, una funzione che consente di passare da un gioco all'altro in pochi secondi. Interessante anche la possibilità di espandere la memoria attraverso un SSD esterno da 1 TB, sviluppato in collaborazione con Seagate, basato su interfaccia USB 3.2 e utilizzato per il salvataggio dei giochi su disco. La ciliegina sulla torta di un hardware che sembra avere tutte le carte in regola per cambiare per sempre il modo di giocare su console.