ll processore della Xbox Series X: alla Hot Chips 2020 Microsoft illustra le innovazioni a livello di silicio

Ecco come Microsoft ha realizzato il suo processore next-gen.

La scorsa settimana Microsoft ha partecipato all'Hot Chips 2020 per trattare i processori inseriti nelle sue console, questa volta però soffermandosi sul processore 'Project Scarlett' della Xbox Series X e su come si confronta con i suoi predecessori.

Non abbiamo solamente appreso le proprietà del chip, ma anche avuto una dritta su sulle condizioni di mercato che hanno influito sul suo design. La conclusione è ineluttabile: l'elettronica di consumo all'avanguardia può ancora garantire un salto generazionale nelle performance: la Legge di Moore non è morta, ma i costi si stanno alzando e avranno un impatto determinante sul modo in cui Microsoft plasmerà la sua nuova console.

Per dare il via alla presentazione, gli ingegneri del silicio di Microsoft hanno rivelato il layout del processore di Xbox Series X, mostrando uno scatto del die che illustra come sono disposti i vari componenti in un singolo wafer di silicio della dimensione di 360.4mm2. Mostrare quanto spazio occupano CPU, GPU e altre parti chiave ci dà un'idea su quanto queste siano importanti nello schema generale del design, ed il bilanciamento appare simile a quanto visto finora sulle altre console targate AMD.

Circa il 47% dell'intera area è occupata dalle 56 unità compute della GPU AMD con tecnologia RDNA 2 (quattro sono disattivate per permettere ai chip difettosi di entrare nella linea di produzione console) e l'11% è occupato da quelli che Microsoft chiama cluster CPU Zen 2 di classe server. I controller di memoria per la memoria GDDR6 occupano circa la stessa area (ce ne sono dieci in totale) e anche se la console monta 16GB di RAM, i canali possono gestire fino a 40GB nel devkit Project Scarlett, quindi presumiamo che una volta integrati nel cloud Azure, questi chip utilizzeranno altre configurazioni di memoria diverse da quelle destinate al mercato retail.

Il riferimento 'classe server' per i cluster CPU ha causato un po' di confusione visto che la configurazione di base e la quantità di cache è decisamente vicina al design Renoir di AMD (Microsoft ha usato il nome in codice interno 'Hercules' per il design della sua CPU) utilizzato nei processori Ryzen 4000 per l'ambiente notebook, quindi tutt'altra roba rispetto ai mostri di classe server con decine di core che conosciamo col nome commerciale Threadripper.

Quindi è molto più probabile che la citazione alla classe server si riferisca alle feature di sicurezza e al supporto di controller di memoria richiesti per l'integrazione del processore Scarlett all'interno dell'ambiente cloud Azure. L'importanza del supporto del cloud per il processore non può essere sottostimato: il chip è capace di far girare e streammare giochi next-gen ovviamente, ma è anche in grado di virtualizzare fino a quattro istanze Xbox One S simultaneamente.

Una video analisi della presentazione di Xbox Series X alla Hot Chips 2020.

Possiamo anche assumere che questi processori di classe server troveranno impiego anche come server Windows standard quando non utilizzati per il gaming, e se il chip raggiungerà lo stato di validazione, potrebbero essere impiegati nella linea Surface di Microsoft. Un nuovo Surface Studio all-in-one con una modalità Xbox sarebbe un prodotto decisamente unico, ad esempio. Con la Xbox Series S che ad oggi è tutt'altro che confermata, un SoC più piccolo ed efficiente sarebbe ideale per essere inserito in uno chassis da laptop o da PC compatto. Le possibilità sono dunque multiple.

Il tema centrale della presentazione alla Hot Chips è rappresentato dai costi importanti dell'industria dei semiconduttori, che richiedono innovazioni nel design dei processori. L'orizzonte è triste da alcuni punti di vista ma ottimistico da altri. La buona notizia è che, secondo Microsoft, la Legge di Moore non è defunta. La densità dei transistor infatti sta aumentando ancora e il confronto tra il SoC di Series X e quello della Xbox One 2013 è notevole.

Prima di tutto, il chip di Series X è più piccolo di quello della Xbox One: 360.4mm2 vs 375mm2. Il numero di transistor è aumentato passando da 4,8 miliardi a 15,4 miliardi, ovvero un incremento di 3,2x. La potenza compute GPU è aumentata da 1,3 teraflop a 12,2, ovvero un incremento di un fattore 9,3x. Ma anche il confronto con Xbox Box One X è positivo, con un numero di transistor 2,3x maggiore e una potenza compute doppia.

La scalabilità c'è, ma lo scenario è cambiato. Il processore di Xbox One X con processo produttivo 16nmFF era più piccolo di quello della One originale ma anche più costoso da produrre, ed i costi si sono innalzati ulteriormente nella transizione al nuovo processo a 7nm. In passato il costo per transistor era minore, ma ci sono altri inconvenienti. Se prima il costo di produzione della memoria calava del 30% anno dopo anno, adesso questo calo si è ridotto al 5%, e questo implica che non solo il silicio del processore è più costoso, ma che è impossibile sostenere un aumento di capacità di memoria di un fattore 8x come quello avvenuto tra Xbox 360 e Xbox One. Microsoft non ha molte armi per combattere questo aumento di costo di produzione, ma un hardware dedicato per elementi come variable rate shading e ray tracing aiuta certamente. Tuttavia, c'è la necessità di inventarsi qualcosa di nuovo, ed è proprio per questo che Microsoft ha sviluppato lo shader feedback sampling.

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Uno sguardo alla configurazione del processore della Xbox Series X.

L'idea alla base è molto semplice: le texture map (o mip) sono immagazzinate a differenti livelli qualitativi. La dimensione dei dati delle texture è già aumentata parecchio nella transizione all'era della risoluzione 4K, quindi l'idea è semplicemente quella di streammare solo le porzioni dei dati delle texture richiesti nella scena. Questo permette a Microsoft di aumentare virtualmente la memoria disponibile di un fattore 2,5x. Questa tecnica fa parte della Velocity Architecture di Microsoft, che mira a massimizzare gli investimenti della compagnia nell'archiviazione a stato solido.

In quell'ambiente l'aspetto economico sembra più positivo. Anche se c'è un impatto iniziale nella transizione da HDD a SSD, la riduzione dei costi anno per anno della memoria NAND fa ben sperare, visto che a detta di Microsoft è nell'ordine del -23%. Questa è sicuramente una garanzia della possibilità di ridurre i costi di produzione nel tempo, ma potrebbe anche aprire la strada alla realizzazione di una SKU con più memoria senza mandare il prezzo alle stelle.

La Xbox Velocity Architecture apre anche la strada a nuove feature come il Quick Resume, che abbiamo già coperto quando abbiamo fatto visita a Microsoft nel mese di marzo, occasione in cui ci è stato mostrato come la Series X fosse in grado di passare da un save state all'altro di giochi Xbox One X diversi tramite la retrocompatibilità. La capacità di memoria allocata per i gochi Xbox One X è di 9GB, e sono richiesti circa 6,5 secondi per passare da un gioco all'altro; questo significa che il processo di salvataggio di 9GB e di streaming dei dati pre-cached è estremamente veloce, specialmente visto che il processo di scrittura è decisamente più lento di quello di lettura. Siamo molto ottimisti riguardo all'innovazione che gli SSD porteranno nel gaming su console, ma riteniamo anche che gli sviluppatori avranno bisogno di tempo per adattare i loro engine a questa nuova infrastruttura. Forse la transizione istantanea da un gioco all'altro sarà possibile in futuro, ma questo è tutto da vedere.

Ritornando al contesto della Hot Chips, abbiamo appreso di più sulla GPU, principalmente da un diagramma di arrangiamento degli shader core. Chi si aspettava una rivoluzione rispetto al setup di base RDNA 2 della AMD RX 5700 rimarrà deluso: il design è praticamente identico, con l'unico cambiamento corrispondente all'aggiunta dei blocchi deputati al ray tracing. C'è stata molta confusione in questo ambito per via delle misurazioni gigaray che indicano una netta superiorità rispetto alla Nvidia RTX 2080 Ti, ma queste sono calcolate in modo differente e non sono confrontabili.

Abbiamo visto Minecraft DXR girare su Xbox Series X a 1080p con un frame-rate variabile tra 30 e 60fps, ovvero valori comparabili a quelli dell'attuale offerta RTX. Siamo rimasti più sorpresi del fatto che Xbox Series X fosse in grado di gestire un gioco completamente renderizzato in RT con un solo mese di sviluppo (anche se può contare sul codice del gioco sviluppato internamente da Microsoft), e con il supporto di Xbox agli sviluppatori, siamo curiosi di vedere cosa saranno in grado di realizzare quelli esterni.

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I prezzi del silicio stanno crescendo notevolmente e quelli della memoria non scendono più rapidamente come prima. Quanto meno, quelli della NAND continuano a scendere progressivamente.

Lo stesso vale per l'audio 3D, che ha fatto la voce grossa nel marketing e nelle presentazioni. Sony ha infatti fatto grande leva su una possibile rivoluzione grazie all'audio 3D con PlayStation 5 ed il suo Tempest Engine, parlando di centinaia di fonti audio accuratamente posizionate in uno spazio 3D. Ebbene, Microsoft ha fatto essenzialmente la stessa scelta con il suo hardware, che ha pure il supporto HRTF che ritroviamo nel Tempest Engine. Microsoft però non ha fatto alcuna promessa riguardo alla mappatura 3D dell'audio o allo specifico supporto HRTF, ma Sony non ci ha spiegato come intende veicolare questi dati audio ai giocatori. Sarà dunque interessante vedere come si svilupperà questo aspetto una volta che usciranno le console ed il software sarà disponibile.

Nel complesso, oltre ad alcune interessanti specifiche ed alla foto del die del SoC, molto di quanto è stato detto alla Hot Chips lo sapevamo già dall'evento a cui abbiamo partecipato a marzo, ma l'approfondimento sull'aspetto economico della produzione è prezioso per capire quanto abbia influito nel design della console. Inoltre, le tecnologie di Microsoft Xbox Velocity Architecture e DirectStorage le vedremo anche su PC.

Infatti, l'arrivo delle APU DirectX 12 Ultimate sembra incentrato sulle innovazioni della Series X e sul non voler lasciare indietro l'ecosistema PC. Microsoft sembra sentire la responsabilità d'innovare al di là della console Xbox, una responsabilità che Sony d'altro canto non sente addosso, e forse questo spiega alcune delle sue bizzarre scelte di design.

Questa è la Xbox Series X e tutto quello che sappiamo sulle tecnologie che Microsoft ha inserito nella sua nuova macchina. Non possiamo che chiederci se Sony seguirà la stessa strada, forse iniziando con la Road to PlayStation 5 inaugurata dal teardown hardware di PlayStation 5 tenuto da Mark Cerny. Detto ciò, anche se alcune introspezioni sul contesto economico e produttivo sono interessanti, ormai l'interesse si è mosso verso altri aspetti, come i titoli che potremo giocare durante la finestra di lancio ed il prezzo per accedere al sogno next-gen.

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Riguardo l'autore

Richard Leadbetter

Richard Leadbetter

Technology Editor, Digital Foundry

Rich has been a games journalist since the days of 16-bit and specialises in technical analysis. He's commonly known around Eurogamer as the Blacksmith of the Future.

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