Darum finden Spieleentwickler die Playstation 4 so spannend: Ein technischer Erklärungsversuch

Seitdem Sony die in weiten Teilen auf AMD-Hardware basierende Playstation 4 vorstellte, melden sich immer mehr Leute zu diesem Thema zu Wort und loben die kommende Spiele-Konsole, zumeist in höchsten Tönen. So legte sich Epics Vice President Mark Rein besonders ins Zeug und betitelte die Playstation 4 als "really perfect gaming PC" und selbst Chris Roberts ist nicht abgeneigt, Star Citizen für die Sony-Konsole zu veröffentlichen - diese sei im Prinzip ein PC mit besserer Oberfläche. Genau dieses gerne als "supercharged" bezeichnetes Innenleben ist es, was den Programmierern Freude bereitet und sie so viel Leistung abrufen lässt, dass sich AMDs John Gustafson zu der Aussage hinreißen ließ, die Playstation 4 fege jeden PC dieser Welt weg. Was aber steckt hinter solchen Aussagen?

Playstation 4: Das Geheimnis ist die HSA (Heterogeneous System Architecture)

Quelle: AMD "Jaguar" bietet 64 Bit und teilt sich mit der Grafikeinheit den Speicher (Unified Memory) Die rudimentären technischen Spezifikationen der Playstation 4 sind hinlänglich bekannt, das Geheimnis aber steckt in Details, die sich erst auf den zweiten Blick offenbaren - und bisher noch nicht oder nur teilweise öffentlich kommuniziert wurden. So basiert die Hardware in erster Linie auf AMD-IPs, denn Sony ließ sich eine "semi custom APU" für die Konsole maßschneidern, welche in dieser Form einmalig ist. Die APU, also eine Accelerated Processing Unit, bedient sich hierbei der HSA - der Heterogeneous System Architecture (einst Fusion, AMD aber musste im Rechtsstreit mit Arctic zurückstecken). Der Gedanke ist genial: Prozessor und Grafikkarte verschmelzen samt dem Speicher-Controller und weiteren Funktionseinheiten zu einem Chip, alle Teile davon können auf gemeinsame Ressourcen zugreifen und zusammen Berechnungen durchführen (etwa mit der "OpenCL"-Schnittstelle) - die ehemals strikte Trennung zwischen unterschiedlichen Komponenten findet nicht mehr statt. Am Ende steigen Leistung und Effizienz drastisch, obendrein verringert sich der Aufwand für Programmierer deutlich, was wiederum mehr Zeit für noch mehr Optimierungen gibt.

Quelle: AMD "Swift" sollte im zweiten Halbjahr 2009 erscheinen, auf dem 45-nm-Verfahren basieren und zwei "Stars"-Kerne mit einer DX11-Grafikeinheit verbinden In den letzten Jahren ist AMD den HSA-Weg kontinuierlich weiter gegangen, die Grundidee war einst das "Torrenza"-Projekt von 2006. Dieses sah vor, bestimmte Co-Prozessoren per Hypertransport oder PCI-Express direkt an die hauseigenen Opteron-CPUs anzukoppeln. Noch im gleichen Jahr benannte AMD erstmals die Accelerated Processing Units - "Fusion" war geboren. Statt die Kommunikation zwischen Prozessor und Grafikkarte per langsamen PCI-Express zu erledigen - ständiges Kopieren also -, erfolgt diese durch spezielle Busse. Die erste APU wurde "Swift" getauft und sollte im zweiten Halbjar 2009 erscheinen. Damals war AMD bei der Fertigung optimistisch und wollte den Chip im 45-Nanometer-Verfahren fertigen - was nicht klappte und so wurde aus "Swift" schließlich "Llano". Statt einem "Stars"-basierten Dualcore mit DX10.1-Grafik wurde ein Quadcore mit verbesserter "Stars"-Architektur und DX11-Grafik, die Fertigung erfolgte im 32-Nanometer-Prozess. Im Einsteiger-Segment platzierte AMD die überaus erfolgreiche Brazos-Plattform, welche Effizienz-optimierte "Bobcat"-CPU-Kerne mit einer DX11-Grafik verbindet. All diese APUs können Daten untereinander austauschen und auf den jeweiligen Speicher-Bereich der anderen Chipteile zugreifen, was jedoch bisher kaum genutzt wird.

Quelle: AMD Vier Kerne samt zwei MiByte geteilten L2-Cache nennt AMD eine Compute Unit Aus der FSA (Fusion System Architecture) wurde die HSA und auf "Bobcat" folgte "Jaguar", eine CPU-Architektur, welche nahezu allen relevanten Befehlssatz-Erweiterungen sowie moderne Stromsparmodi bietet und derzeit in AMDs G-Series verbaut wird. Informationen zur Raubkatze veröffentlichte der Hersteller auf der ISSCC sowie der Hot Chips: Vier Kerne teilen sich einen zwei MiByte großen L2-Cache, ein solcher Block nennt sich Compute Unit. Genau den gleichen Begriff verwendet AMD übrigens auch für die Shader-Blöcke der GCN-Architektur, dem "Graphics Core Next". Statt einem VLIW-Design, wie es seit der gefloppten Radeon HD 2900 XT zum Einsatz kam, bieten AMDs aktuelle Grafikkarten skalare Einheiten und eigenen sich viel besser für allgemeine Berechnungen, also "General Purpose Computation on Graphics Processing Unit", kurz GPGPU oder einfach nur Compute.

Playstation 4: Acht Jaguare treffen auf den Graphics Core Next

Während die aktuellen "Richland"-APUs noch auf eine VLIW-Grafik setzen, ist "Kabini" bereits weiter - dieser Chip steckt in der bereits erwähnten G-Serie und vereint bis zu vier "Jaguar"-Kerne mit einer GCN-basierten DX11-Grafikeinheit. Stark vereinfacht ist die APU in der Playstation 4 ein mit Steroiden vollgepumpter "Kabini": Statt einer Compute Unit mit vier Kernen sind es doppelt so viele Rechenherzen samt 2,0 GHz Takt und statt mageren 128 Shader-Einheiten verbaut Sony satte 1.152 - zusammen mit den 800 MHz Grafikchiptakt entspricht das einer Radeon HD 7850! Während bei "Kabini" ein 64 Bit schmales Speicher-Interface mit DDR3-1066 (533 MHz) ausreicht - das sind nur gut 8 GB/s -, stellt Sony der PS4-APU ein 256-Bit-Interface zur Verfügung, welches acht GiByte GDDR5 mit 2.750 MHz anbindet - das macht 176 GB/s.

Der Vor- wie auch der Nachteil hierbei ist, dass sich die "Jaguar"-Kerne und die GCN-Grafikeinheit die Datentransfer-Rate teilen müssen - die bereits angesprochene Radeon HD 7850 alleine greift auf 154 GB/s zurück. Dank Unfied Memory ist bei der Playstation 4 der GDDR5-Speicher für CPU wie GPU gemeinsam nutzbar, eine seit "Llano" bekannte Technik namens Zero Copy erlaubt es zudem, dass auf gleiche Adressbereiche zugegriffen werden kann - wie eingangs genannt spart sich eine APU somit das Kopieren von Daten. Da "Jaguar" wie praktisch alle anderen CPUs seit 2004 über eine 64-Bit-Fähigkeit verfügt, kann die PS4-APU problemlos den Großteil der acht GiByte Speicher adressieren, ein Teil davon (rund ein GiByte) ist für das schlanke Betriebssystem und Hintergrund-Anwendungen reserviert. Die Alternative zu einem 256-Bit-Interface wären 128 Bit gewesen und dazu extrem schnelles Embedded-DRAM, was jedoch die Programmierbarkeit erschwert.

Playstation 4: Die Supercharged-Architektur im Detail

Zu den genannten Verbesserungen hat Sony die Grafikarchitektur erweitert, so ist es der GPU möglich direkt auf den GDDR5 zuzugreifen und dabei die eigenen L1- sowie L2-Caches zu ignorieren, die Geschwindigkeit dieses speziellen Busses liegt bei 20 GB/s. Weiterhin können Zugriffe auf die Caches so markiert werden, dass grafische wie Compute-Berechnungen parallel stattfinden ohne einander zu behindern - die Leistung steigt, wenngleich die Idee nicht neu ist. Die dritte größere Modifikation ist laut Lead Architect Mark Cerny die Erhöhung der Command Queues mittels der ACEs (Asynchronous Compute Engines) pro Shader-Block auf satte 8 mal 8 statt nur zwei - ein gigantischer Sprung, den AMD jedoch schon 2011 als möglich andeutete. Dies macht umso deutlicher, dass die Playstation 4 ihre Performance vor allem aus der rasend schnellen Kommunikation von CPU und GPU zieht. Letztere ist rein rechnerisch schon auf dem Level einer Radeon HD 7850, bietet aber unter anderem die genannten Aufwertungen, deren Vorteil derzeit nur schwer abzuschätzen ist. Generell ist der Gedankte, die Grafikeinheit per Compute an allem möglich rechnen zu lassen, der richtige - heterogen eben.

Damit die acht "Jaguar"-Kerne ihre Leistung - die übrigens aufgrund von nur 2,0 GHz und geringer IPC deutlich unter aktuellen CPUs liegt - überhaupt nutzen kann, müssen die Entwickler den Fokus stark auf Multithreading legen. Sony ist zudem bewusst, dass die Raubkatzen nicht die schnellsten sind, daher finden sich in der Playstation 4 weitere Funktioneinheiten, welche dem Prozessor Arbeit abnehmen: Ein Audio-Chip berechnet den Surround-Sound, ein weiterer übernimmt das En- wie Dekodieren von Videomaterial (vermutlich der UVD, der Universal Video Decoder, aktueller Radeons). Wichtig ist das üblicherweise aufwendige Dekomprimieren von Daten, etwa denen auf der Blu-ray oder der Festplatte. Statt den "Jaguar"-Kernen kommt auch hier eine spezielle Funktioneinheite zum Zug - was bedeutet, die Entwickler können mehr Daten zusammen packen und so schönere Spielwelten ermöglichen.

Playstation 4: Bessere Ports und ein grafischer Sprung

Da die PS4-APU wie aktuelle Computer auf der x86-Architektur basiert, sind PC-Portierungen deutlich einfacher, zudem besteht die Möglichkeit, dass auch Spiele in den Genuss moderner Befehlssatz-Erweiterungen kommen, die "Jaguar" bietet. Angesichts des im Vergleich geradezu jämmerlichen Speicherausbaus der bisherigen Konsolen mit den acht GiByte der Playstation 4 samt der ausgelagerten Dekomprimierung von Daten und den APU-Vorteilen der Konsole ist der Leistungssprung gigantisch - was somit auch für die Qualität von Spielen gelten dürfte. Viele Entwickler haben bereits bestätigt, dass man sich auf 1080p bei 30 Fps konzentrieren werde (60 Fps sind mit einem Gamepad nur bedingt sinnvoll), somit bleibt pro Frame sehr Zeit um aufwendigen Content zu berechnen. Denn hinter dem viralen Marketing aller PS4-Beteiligten steckt genau die Idee, welche AMD seit Jahren nach vorne treibt - und da auch die Playstation auf einer "semi custom APU" basieren soll, scheint das Projekt HSA endlich aufzugehen. Denn wie lautete der Slogan einst? "The Future is Fusion".

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Egal ob Sony, AMD oder diverse Spiele-Entwickler: Die Leistung und die Eigenschaften der Playstation 4 werden von nahezu allen Beteiligten gelobt - hinter dem viralen Marketing steckt allerdings auch viel Technik, welche für die Begeisterung verantwortlich ist.

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