Xbox Series X: Warum schneller SSD-Speicher alles verändert

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

• Die kompletten Spezifikationen der Xbox Series X! Wie leistungsfähig ist die Next-Gen-Konsole?
• Wie groß ist die Xbox Series X im Vergleich zur Xbox One X?
• Xbox Series X: Der Raytracing-Unterschied und ein effizientes Design
• Xbox Series X: Der Kampf gegen Eingabe-Lag und Tearing
• Xbox Series X: Wie ältere Spiele besser auf der Next-Gen-Konsole laufen

Warum schneller SSD-Speicher alles verändert

Die genannten Spezifikationen stellen nur den kleinsten Bruchteil des Potenzials der Speicherlösung dar, die Microsoft für die nächste Generation entwickelt hat. Im letztjährigen Project-Scarlett-E3-Teaser beschrieb Jason Ronald - Partnerdirektor für Projektmanagement bei Xbox -, wie die SSD als "virtueller Speicher" verwendet werden kann, eine Art Teaser, der nur die Funktionalität andeutet, die Microsoft in sein System eingebaut hat.

Auf Hardwareebene unterscheidet sich das benutzerdefinierte NVMe-Laufwerk sehr stark von jeder anderen Art von SSD, die ihr zuvor gesehen habt. Für den Anfang ist es kleiner und präsentiert sich eher wie eine alte Speicherkarte. Es ist auch ziemlich schwer, wahrscheinlich aufgrund der massiven Metallkonstruktion, die als Kühlkörper für das Silizium dient, das 3,8 Watt Strom verbraucht. Viele PC-SSDs verlieren beim Aufheizen an Leistung - und ähnlich wie bei den CPU- und GPU-Taktraten war dies für Microsoft einfach nicht akzeptabel. Microsoft ist der Ansicht, dass eine konsistente Leistung auf der ganzen Linie ein Muss für das Design ihrer Konsolen ist.

Der Formfaktor ist niedlich, der garantierte Durchsatz von 2,4GB/s ist beeindruckend, aber es sind die im SoC integrierten Software-APIs und angepasste Hardware, die das liefern, was Microsoft für eine Revolution hält - eine neue Art der Verwendung von Speicher zur Arbeitsspeichererweiterung (ein Bereich, in dem kein Konsolenhersteller einen traditionelleren Generationssprung erzielen kann). Die Idee ist zumindest im Grunde genommen ziemlich einfach: Das Spielpaket, das sich im Speicher befindet, wird im Wesentlichen zu einem erweiterten Speicher, sodass der Entwickler sofort auf 100 GB auf der SSD gespeicherte Spiel-Assets zugreifen kann. Es ist ein System, das Microsoft als Velocity Architecture bezeichnet, und die SSD selbst ist nur ein Teil des Systems.

"Unsere zweite Komponente ist ein Hochgeschwindigkeits-Hardware-Dekomprimierungsblock, der über 6 GB/s liefern kann", verrät Andrew Goossen. "Dies ist ein dedizierter Siliziumblock, der die Dekomprimierungsarbeit der CPU entlastet und an die SSD anpasst, sodass die Dekomprimierung niemals zu einem Engpass führt. Die Dekomprimierungshardware unterstützt Zlib für allgemeine Daten und ein neues Komprimierungssystem namens BCPack, das auf die GPU-Texturen eines Spiels zugeschnitten ist, die normalerweise den größten Teil der Paketgröße eines Spiels ausmachen."

Die letzte Komponente im Triumvirat ist eine Erweiterung von DirectX - DirectStorage -, ein notwendiges Upgrade, wenn man bedenkt, dass vorhandene Datei-I/O-Protokolle 30 Jahre alt sind und in ihrer aktuellen Form zwei Zen-CPU-Kerne erfordern würden, um den Overhead abzudecken, den DirectStorage auf nur ein Zehntel des einzelnen Kerns reduziert.

"Außerdem hat es andere Vorteile", schwärmt Andrew Goossen. "Es ist weniger latent und spart eine Menge CPU-Leistung. Mit der besten Lösung, die sonst verfügbar wäre, haben wir festgestellt, dass eine Dekomprimierungssoftware, die der SSD-Rate entspricht, drei Zen-2-CPU-Kerne verbraucht hätte. Wenn du den Overhead der I/O-CPU hinzufügst, sind das zwei weitere Kerne Die resultierende Arbeitslast hätte also fünf Zen-2-CPU-Kerne vollständig verbraucht, während jetzt nur noch ein Zehntel eines CPU-Kerns benötigt wird. Mit anderen Worten, um die Leistung einer Series X bei voller I/O-Rate zu erreichen, müsstest du einen PC mit 13 Zen-2-Kernen bauen. Das sind sieben Kerne für das Spiel: einer für Windows und Shell und fünf für den Overhead für I/O und Dekomprimierung."

Das Asset-Streaming wird auf die nächste Stufe gehoben, aber Microsoft war dort noch nicht fertig. In der letzten Generation konnten sie den Systemspeicher um das 16-fache erhöhen, diesmal jedoch nur um das Zweifache - oder nur um 50 Prozent mehr, wenn wir die Xbox One X als Basis betrachten. Microsoft hat nicht nur stärker auf den Speicher zurückgegriffen, um das Defizit auszugleichen, sondern auch mit einigen erstaunlichen Verbesserungen begonnen, um die tatsächliche Nutzung des Speichers zu optimieren.

"Wir beobachten, dass nur ein kleiner Prozentsatz des Speichers, in den Spiele geladen werden, wirklich genutzt wird.", so Goossen. "Diese Verschwendung kommt grundsätzlich von den Texturen. Texturen sind immer die größten Nutzer des Speichers bei Spielen. Aber nur ein kleiner Teil des Speichers für jede Textur wir normalerweise von der GPU in einer Szene angesprochen. Zum Beispiel ist die größte Mip einer 4K-Textur acht Megabyte groß und oft sogar noch mehr. Aber normalerweise ist nur ein kleiner Teil der Mip in einer Szene überhaupt sichtbar und nur dieser Teil muss für die GPU bereit sein."

Texturen sind deutlich größer geworden, um den 4K-Displays gerecht zu werden und so verschlimmerte sich nach und nach die Speichernutzung. Microsoft konnte das bestätigen, indem sie eine spezielle Monitoring-Software in das SoC der Scorpio-Engine der Xbox One X einbauten. "Davon ausgehend wissen wir, dass ein Spiel bestenfalls die Hälfte oder auch nur ein Drittel der adressierten Seiten über einen längeren Zeitraum nutzt", so Goossen. "Wenn ein Spiel also nicht die Seiten laden würde, die es effektiv nie nutzt, dann würde das einen zwei- oder dreifachen Multiplikator für den effektiv vorhandenen physischen Speicher bedeuten, wie auch den gleichen Multiplikator für die effektive IO-Performance."

So wurde eine Technik namens Sample Feedback Streaming - SFS - entwickelt, die genau abschätzen soll, was der Speicherbedarf der GPU ist und intelligent die Texture-Mips lädt, die wirklich gebraucht werden. Dazu gibt es eine Garantie, dass eine Mip in geringerer Qualität verfügbar ist, wenn die höhere Qualität nicht direkt verfügbar sein sollte, um so GPU-Aussetzer und Spikes in der Frame-Time abzufangen. Die genannte Hardware innerhalb der GPU sorgt für fließende Übergänge zwischen den Mips, nur für den seltenen Fall, dass die höhere Qualität des Mips einen Frame oder zwei später eintrifft. Microsoft hält diese Aspekte der Velocity-Architektur für einen echten Durchbruch und für einen Multiplikator bei der Nutzung des physischen Speichers.

Die Velocity-Architektur bietet auch ein anderes Feature, das sich auf dem Papier erst einmal sehr beeindruckend anhört und noch mehr beeindruckt, wenn man es auf der Konsole dann in Aktion erlebt. Quick Resume erlaubt es dem Nutzer, in Sekunden zwischen gespeicherten Speilen zu wechseln - was man in dem Video oben sehen kann. Wenn man ein Spiel verlässt, wird der System-RAM auf der SSD gecached, und wenn ein anderes Spiel gestartet wird, wird sein Cache wiederhergestellt. Aus der Perspektive des Spiels hat es keine Ahnung, was im Hintergrund passiert, es denkt lediglich, dass der Nutzer den Guide-Button gedrückt hat und nun normal fortfahren kann.

Wir sahen die Series-X-Hardware zwischen Forza Motorsport 7 im One-X-4K60-Modus, State of Decay 2, Hellblade und The Cave (ein 360-Spiel) wechseln. Beim Wechsel zwischen den One-X-Spielen auf der Series-X-Hardware gab es lediglich die recht beeindruckend kurze Verzögerung von 6,5 Sekunden. Microsoft nannte nicht die exakte Größe für den SSD-Cache, der für Quick Resume genutzt wird, aber das Feature soll drei Spiele für die Series X garantieren. Wenn man die 13,5GB RAM im Hinterkopf hat, ergibt das etwas 40GB Speicher auf der SSD, aber man wenn man davon ausgeht, dass die Velocity-Architektur Kompressions- wie auch Dekompressions-Routinen mitbringt, dann dürfte der eigentliche Bedarf darunter liegen. Auch sollten Spiele mit geringerer Speichernutzung wie die hier gezeigten weniger Platz brauchen und noch mehr Spiele einen Platz in diesem Cache finden.