Xbox Series Xの全貌。デジタルファウンドリーがマイクロソフト本社レポート【後編】

前回書いた、デジタルファウンドリーによるマイクロソフト本社でのXbox Series Xレポート記事要約【前編】の続きの【後編】になります。自分なりに分かりやすくなるように書き直し、修正、自分の感想、印象なども加えて記事にしています。

AMDのRDNA2アーキテクチャは、はるかに高いクロックと組み合わせた抜本的な新しいデザインにより、「テラフロップのパフォーマンス」が遙かに向上します。(Xbox Series XのGPUは、Xbox One Xに対して56%のクロック・アドバンテージで動作します)

僅か2週間でGears5をXbox Series X上で動作させる。

Gears5の開発スタジオCoalitionスタジオのマイク・レイナー氏とコリン・ペンティ氏は、僅か2週間でGears5をXbox Series X上で動作させました。Epic Gamesと協力してアンリアルエンジン4(以下UE4)をXbox Series Xで動作させ、全ての品質プリセットをPCのウルトラと同等にし、コンタクト・シャドウを向上させ、UE4の新しいソフトウェアベースのレイトレース・スクリーンスペース・グローバル・イルミネーションを追加しました。

更に、Gears5のムービーシーン(Xbox One Xでは30fps)は、完璧な60fpsに向上しました。驚くべき事は、これでもまだ完全にはXbox Series Xの機能には完全にアクセスしておらず、最適化もされてない状態にも関わらず、既にPCのRTX2080グラフィックスカードと非常に近いベンチマーク結果が出ています。これは驚くべき事です。

Gears5は最終的に、次世代機能を取り入れて最適化され、Xbox Series Xの発売時に、Xbox Series Xのパワーでよりリッチなグラフィック、安定したフレームレート、より高いフレームレートの素晴らしいバージョンをプレイ出来ます。Gears5は、「スマートデリバリー」をサポートしているので、既にGears 5を所有してしているなら、Xbox Series X版を無料で入手できます。

メッシュ・シェーディング

メッシュ・シェーディングは、開発者にGPUパイプラインの既存の部分に対する代替手段を提供することで、ボトルネックを完全に回避できます。パフォーマンス向上に加えて、メッシュ・シェーディングは開発者に柔軟性とメモリの節約が可能になります。メッシュ・シェーディングにより、ゲーム開発者はより細かいディテールを増やすことができ、オブジェクトの形状とアニメーション、およびフレームレートを犠牲にすることなく、より複雑なシーンを実現することが出来ます。

更に、Xbox Series X GPUでは、CPUの関与なしにシェーダー間で作業を共有できるため、GPUにデータが残ったままZen 2コアの作業を大幅に節約できます。しかし、大きな技術革新はやはりハードウェア動作によるレイトレーシングの追加です。これは非常にエキサイティングで、ゲーム機へのレイトレーシング搭載は想像以上に野心的なことなのです。

nVIDIAが公式YOUTUBEチャンネルで公開したメッシュシェーディングのデモ映像。


レイトレーシングの違い

RDNA2は最新のDXR 1.1(Direct X レイトレーシング1.1)を完全にサポートし、nVIDIAのTuring レイトレーシング・コアと同様に、現実世界で光が「跳ね返る」のと同じように、レイトレーシングのハードウェア動作は、1秒あたり最大380億回の光の移動と交差をマッピングします。

Xboxシステムアーキテクト アンドリュー・グーセン氏

「レイトレーシングはシェーダーで行うこともできましたが、レイトレーシングのハードウェア動作がなければ、13テラフロップを消費していたでしょう。Xbox Series Xの場合、専用のハードウェアにオフロードされ、シェーダーは引き続きフルパワーで並行処理できます。つまり、Xbox Series Xは、トータル25 TFLOP以上に相当するパフォーマンスを効果的に利用出来るのです。」

レイトレーシングは通常、パフォーマンス低下を及ぼしゲーム機の実装にも影響しますが、固定で持続的な性能を発揮出来るXbox Series Xの設計思想のメリットによって、開発者がより積極的に最適化し、革新することも期待できます。幸いなことに、マイクロソフトはレイトレーシング・ハードウェア動作への低レベルアクセスを許可しています。

Xboxシステムアーキテクト アンドリュー・グーセン氏

「Xbox Series Xは、PCの標準を更に上回り、開発者により多くのパワーと柔軟性を提供します。これらの構成要素によって、レイトレーシングはゲーム機を通じて、開発者による素晴らしい映像革新となることが期待されます。」

マインクラフトのDirect X Raytracing(以下DXR)は野心的な声明です。テクノロジーが非常に異なる方法で使用されることが期待されます。

マイクロソフトが公開した、マインクラフト公式YOUTUBEチャンネルの
Windows10 レイトレーシング対応アナウンス・トレイラー

ハードウェアレイトレーシングとDXRの併用。

Gears5のテクニカルディレクター マイク・レイナー氏

「DXR (Direct X Ray Tracing)とハードウェア動作レイトレーシングのサポートに非常に興奮しています。Gears5にはソフトウェアベースのレイトレーシングがあり、レイトレーシング・ハードウェアコアを使用してこのような手法を実行し、DXRを利用する方法に興味を持っています。この方法は、将来を見据えたものだと思います。従来のレンダリング技術とDXRのハイブリッド・レンダリングシーンを拡張し、チップを全て使用して、最終的に最高のグラフィックス・クオリティを得ることができます。」

Xbox Series Xの設計効率

マイクロソフトのXBOX開発チームが考える、Xbox Series Xの重要なポイントの1つは、電力だけでなく設計効率で全ての新しいグラフィックス機能と安定した12TFlopsの性能により、途方もなく大きく高価なプロセッサー設計、つまり非常に高価なコンソールを想定していた(プロセッサーが大きくなるとコスト増加に直結する)様ですが、SoC(System on Chip)のサイズがXbox One Xとほぼ同じ360mm2に収まり、想定よりもはるかに小さいものになりました。153億個のトランジスタは、ちょうど16nmのXbox One Xのプロセッサーのトランジスター密度の2倍ですが、それでも2倍以上の性能を達成しています。

ただし、マイクロソフトが独自に設定した性能、電力などの目標を達成するには、革新的な考え方が必要でした。グラフィックス能力はテラフロップだけではありません。コンピューティング能力はメモリ帯域幅でバックアップする必要があり、ゲーム機独特の課題があります。マイクロソフトのメモリー・サブシステム・ソリューションは320bit、メインボードに10個の14Gbps GDDR6モジュール(6個の2GBチップと4個の1GBチップ)を備えています。

Xbox Series Xのメイン基板。今回のメインボードはなんと異例の2枚構成。
厚いアルミのブロックをボード2枚で挟み込む形に。

Xboxシステムアーキテクトのアンドリューグーセン氏

560GB/sで実行される10GBのメモリは、GPU最適メモリと呼びます。336GB/sで実行される6GBのメモリは標準メモリと呼びます。メモリの割り当ては、10GBのGPU最適メモリ3.5GBの標準メモリの合計13. 5GBがゲーム開発に利用出来ます。残りの2.5GBは、OSとフロントエンドシェル用となります。システムチームと話し合ったとき、シグナル・インテグリティの複雑さ、そしてそうでないことに関して多くの問題がありました。Xbox One Xでは384bitを採用しましたが、GDDR6で14 Gbpsの驚異的な速度で可能な限りハードにプッシュしており、320bitは良い妥協案だと感じました。可能な限り高いパフォーマンスを達成すると同時に、実際に機能し、実際に動作するシステムを構築するという点でもです。」

Xbox Series Xの開発は2016年から開始

Xbox開発チームはXbox One Xの開発が完了する1年前の2016年に、Xbox Series Xの開発を2020年末発売を目指して開始しました。開発当時もレイトレーシングが議題でしたが、あとはストレージへの革新的なアプローチの必要性でした。これらがXbox Series Xハードウェア設計の2番目の理念につながります。

高速ストレージがすべてを変える理由

Xbox Series Xの背面拡張スロット専用のSegateと共同開発した1TBストレージカード。
放熱を考慮しスロット部分は金属で出来ており、意外と重いそうです。

ハードウェアレベルでは、カスタムNVMe SSDドライブは、これまでに見た他のどの種類のSSDとも大きく異なります。手短に言えば、それはより短く、より古いメモリカードのように見えます。1TBの高速SSDは、最大3.8Wの電力を消費するので、全体がヒートシンクとして機能する金属構造になっており、見た目よりかなり重いようです。

多くのPC用SSDは、本体が熱くなると速度が落ちます。これはXbox Series XのCPUおよびGPUクロックの設計思想である、コンソール全体の一貫した持続的パフォーマンスがコンソール設計に不可欠であると考えるMicrosoftには受け入れられませんでした。

本体は2.4GB /sの速度が保証されていますが、SoC(チップ)に組み込まれているソフトウェアAPIとカスタムハードウェアは、少なくとも基本的に考え方はかなり単純です。ストレージ上にあるゲームパッケージは基本的に拡張メモリとなり、SSDに保存されている100GBのゲームデータに開発者がすぐにアクセスできるようになります。これはマイクロソフトがベロシティ・アーキテクチャと呼んでいるシステムであり、SSD自体はシステムの一部です。

2つめのコンポーネントは、6GB /s以上を提供できる高速ハードウェア圧縮解除ブロックです。 これは、CPUから解凍作業をオフロードする専用のシリコンブロックであり、SSDと一致するため、解凍がボトルネックになることはありません。解凍ハードウェアは、一般的なデータ用にZlibをサポートし、BCPackと呼ばれる新しい圧縮システムをサポートします。内蔵SSDとオプションの拡張SSDはPCI Express4.0でメインプロセッサーにダイレクトに接続されています。

マイクロソフトが公式YOUTUBEチャンネルで公開したXbox Series Xのロード時間比較デモ

Xboxシステムアーキテクト アンドリュー・グーセン氏

「通常、ゲームによって読み込まれたメモリのごく一部のみがアクセスされるのを観察しました。 この無駄は主にテクスチャから発生します。テクスチャは一般にゲームの中で最もメモリーを消費します。通常、各テクスチャのメモリのごく一部だけがゲーム中にGPUによってアクセスされます。たとえば、4Kの最大のミップテクスチャは8メガバイト以上であることが多いですが、通常、そのミップのごく一部のみがシーンに表示されるため、GPUで実際に読み取る必要があるのはその一部のみです。」

テクスチャが4Kディスプレイと一致するサイズに膨らむにつれて、メモリ使用効率は次第に悪化します。マイクロソフトは、Xbox One Xのスコーピオ・エンジンに特別な監視ハードウェアを組み込むことで確認できました。

「ゲームは通常、割り当てられたページの半分から3分の1しか、長い期間アクセスされないことがわかりました。つまり、最終的に実際に使用されることのないページをゲームがロードする必要がなかった場合、それは物理メモリの有効量の2〜3倍あり、有効なIOパフォーマンスの2〜3倍あるということです」

クイックレジューム機能

クイックレジューム機能により、ユーザーはほんの5〜6秒程度のロード時間で、中断していたゲームを次々に切り替えて直ぐにプレイすることができます。ゲームを離れると、システムRAMはSSDにキャッシュされ、別のタイトルにアクセスすると、そのキャッシュが復元されます。ゲーム自体の観点からは、バックグラウンドで何が起こっているのか実際にはわかりません。単にユーザーがガイドボタンを押したと考え、ゲームは通常どおり再開できます。

Xbox Series Xで4K60fpsのXbox One Xモードで実行されているForza7、State of Decay 2、Hellblade、The Cave(Xbox360タイトル)を切り替えて動作するのを実際に見ました。Xbox Series Xで実行されているXbox One Xのゲームの切り替えでは、ゲームからゲームへの切り替えに約6.5秒くらいかかりました。このクイックレジューム機能は最低3つのXbox Series Xのゲームをサポートするとの事です。

マイクロソフトがYOUTUBE公式チャンネルで公開したXbox Series Xのクイックレジューム機能。
ゲームを次から次へと切り替えて中断を再開しています。

入力遅延

Xbox Series Xは、ゲームの考えられる全ての部分でレイテンシー(待ち時間、要は遅延の要因)を削減するように設計されているので、入力処理の根本的な改良も検討されました。つまり、ボタンを押してから画面上に反応が生じるまでの時間が大幅に短縮されるという事です。

コントローラーから始まり、ゲームがそれらを必要とする直前に、最新の入力を送信することにより、アナログコントローラー入力の典型的な8msの待ち時間が大幅に削減されます。ボタンを押すなどのデジタル入力にはタイムスタンプが付けられてゲームに送信されるため、ポーリングレートを上げる必要なくレイテンシーが短縮されます。一方、USB接続のパッドは、デジタル入力がゲーム機にすぐに送信が確認されます。このすべてを容易にするために、入力ソフトウェア全体が書き直され、遅延がさらに改善されました。

ただし、ゲームエンジンがより複雑になるにつれて、追加の遅延が発生します。

ゲーム開発者がゲーム内のレイテンシーを最適化するのをより簡単にしました。Xboxのゲームは、エンジンを通過するフレームごとに識別子を出力します。コントローラー入力を照会するとき、そのフレーム識別子を入力のタイミングに関連付け、そのフレームのレンダリングが完了すると、その識別子を、完成したフロントバッファー情報とともにシステムに渡します。このメカニズムにより、このシステムは、すべてのフレームの完全なゲーム内レイテンシを決定します。」

マイクロソフトは、ゲームメーカーがフレームレートを追跡するのと同じくらい簡単に、エンジン全体の入力遅延を正確に追跡できるシステムを開発したとの事。

ティアリング

マイクロソフトは、画面のあの目障りなティアリングの終わりを迎えるかもしれない革新を行いました。通常、スキャンアウト中に新しいフレームを表示することは、待ち時間を短縮するために使用されます。トリプルバッファリングは、フレームレートを落とすことさえできますが、余分な遅延を追加する可能性があります。

ゲームが完成したフレームをテレビに送信するためにゲームで使用するプレゼンテーションAPIを再設計しました。ダブルバッファリングまたはトリプルバッファリングとレイテンシの間の従来のリンクを完全に切り離しました。以前は、ゲームがターゲットフレームレートを維持できない場合にトリプルバッファリングがフレームレートを改善するのに適していましたが、トリプルバッファリングは良くないのでレイテンシは増加しましたが、現在は増加していません。フレームバッファリングとレイテンシは完全に切り離されているため、ゲームはトリプルバッファリングを有効にしながら、希望するレイテンシを個別に指定できます。したがって、ゲーム開発者はCPUとGPUの間のレイテンシを正確に下げることができます。このメカニズムを使用すると、ゲームはゲーム内のレイテンシを可能な限り正確に、そして非常に簡単に削減することができます。

Xbox Series Xで古いゲームをより良くプレイする方法

E3 2015でXbox360の下位互換性が発表されて以来、マイクロソフトが次世代の取り組みの基盤を形成する3つの理念の最後は互換性です。後方互換対応のXbox360、初代XboxゲームがXbox Series Xで動作することを既に発表しましたが、既存のすべての周辺機器も正常に動作します(これにより、タイプA USBがシステムで採用される理由の一部)

それを超えて、Xbox後方互換チームは、Xbox360と X Enhancedプログラムで一生懸命働いています。 Xbox Series Xが技術的にXbox Oneゲーム全体を実行できるのは当然のことですが、今回はエミュレーションレイヤーなしで行われ、ハードウェアレベルで組み込まれています。更に後方互換のゲームは、Xbox Series XのCPUとGPUパワーの恩恵を受けます。うまくいけば、滑らかな60fpsロックになるでしょう。

ただし、XBOX互換チームは限界に挑戦することで有名で、Xbox Series Xで見た初期作業の一部は非常に魅力的です。マイクロソフトはすでに、解像度の向上、フレームレートの安定、ロード時間の高速化を約束していますが、私たちが目にした初期のデモはさらに有望に見えます。Xbox OneのタイトルであるGears of War Ultimate Editionは、1080pのゲームをネイティブ4K(3840x2160P)で動作するのを見ました。これは、Xbox360の720pのタイトルをフル4Kまで引き上げるために使用された技術の進化形で、多くの場合素晴らしい結果をもたらします。重要なのは、後方互換チームがシステムレベルで全ての面倒な作業を行うことです。ゲーム開発者はこの後方互換対応の過程にまったく参加する必要がないのです。

Xbox Series XとXbox One Xで動作するGears1 UEのズーム比較映像。

Xbox後方互換プログラムリーダーのペギーロー氏 「私たちが検討していることには、ゲームの解像度の向上、フレームレートの向上、それらを倍にすることが含まれます。そして、私たちは実際に複数の方法を模索していることです。したがって、私たちはHeutchyメソッド(Xbox One Xで採用されたゲームのコードを変える事なく、Xbox360や初代XBOXのゲームの解像度や一部エフェクトを引き上げて描画する手法)だけでなく、少し変更するか他にもいくつか検討中の方法があります。詳細はまだお話出来ません。Xbox Series Xに最適な方法を特定する作業がまだ進行中であるためです。私達は常に前進し続けます。」

Microsoftは2つのLGの有機ELディスプレイをセットし、1つはXbox One Xの1080pでGears Ultimate(本作はXbox One X Enhanced非対応)、もう一つのディスプレイではXbox Series Xのネイティブ4Kで表示されました。

画面上のデバッグデータにより、コンソールのレンダリングターゲットの量が分かるようになっています。解像度スケーリングファクターと新しいネイティブ解像度とともに、より高い解像度で実行されていました。

オートHDR?

HDR対応TVやモニター環境のある方は、この重要な機能を気に入るでしょう。 HALOの開発スタジオ、343 IndustriesがHDRサポート付きのゲームを発売したことはまだありませんが、非常に説得力のあるHDR実装で動作するHalo5のXbox One X拡張バージョンを見ることができました。Microsoft ATGの主要なソフトウェアエンジニアであるクラウデ・マライスが、Gears5の最新のHDR実装を使用した機械学習アルゴリズムが、後方互換タイトルのSDRを完全なHDR実装出来ることをデモしました。フェイクHDRではありません。マライス氏は、すべての画面上のピーク輝度を示すヒートマップモードを見せ、ハイライト部分がSDRの範囲を遥かに超えていることを明確に示しました。

マイクロソフトが公開したHalo5をXbox Series X上でHDR化した際のヒートマップ画像。
明らかにピーク輝度が伸びています。オートHDRという記載も注目。


このオートHDRは、理論的に技術的にも全てのゲームに適用可能だそうで、現在は実装に向けて開発中との事ですが、これは技術的なデモですとマライス氏は明らかにしました。

驚くべきは、初代XBOXのタイトルFusion Frenzyです。本作が発売された当時、HDRについては誰も知らない時代です。間違いなく初代XBOXのフージョンフレンジーがオリジナルの16倍もの解像度で後方互換を介して実行され、一目で分かるほど、リアルなHDRで表示されていました。

重要なのは、これがXbox Series Xのシステムレベルの機能として提案されており、HDRモードを持たない全ての後方互換対応のゲームに適用されることです。また、マライス氏が示すように、Xboxライブラリ全体に拡張されています。

Xboxライブラリへの愛着が非常に強く、後方互換チームがXboxライブラリの機能に非常に興奮していることは明らかです。 「私たちがまだ後方互換機能に非常に情熱を注いでいることを理解していただければ幸いです」とペギーロー氏。 「これは私たちにとって非常に個人的なプロジェクトであり、私たちはこれを続け、すべてのゲームをXbox Series Xで最高に見せるように努力しています。」後方互換開発チームの、仕事を超えた情熱が、素晴らしいEnhanced後方互換機能を生んだわけです。

パワー、スピード、互換性。マイクロソフトは、Xbox Series Xの全ての基本的な3つの柱に説得力のあるデモを披露しました。そして驚くべきことに、まだ共有すべきことがたくさんあります。

プレゼンテーションの後、マイクロソフトキャンパスのビルディング37に向かいそこではマイクロソフトのプリンシパル・デザイナーのクリスク・ジャウスキー氏と同僚が、Xbox Series Xのハードウェア、その内部コンポーネントの詳細な内訳、スペック、各パーツの隅々まで詳細な解説が行われたようです。

そこではここまで見せるかというレベルまでXbox Series Xのパーツを分解し、詳細に公開、説明がなされたようです。この記事もまた後日要点をピックアップしてもっと簡潔に書きたいと思います。

とにかく、マイクロソフトのXBOX開発チームの徹底した無駄を省き、パワーを安定して出し、そのパワーを効率良く無駄なく発揮させる事、そして更にゲーム遅延に対しての物凄い情熱、更には後方互換機能の向上への仕事を超えた情熱といい、XBOX開発チームの印象が変わるくらい素晴らしい取材記事だと思いました。 

もう何回も書いている事ですが、現時点でここまでハードの詳細から技術詳細を公開出来るマイクロソフトも本当に凄いなと再認識した次第です。こうなると、やはりソニーも早くPS5の更なる詳細を公開すべきと改めて感じました。 🔚

Xbox Series Xの全貌 【前編】

米マイクロソフト メジャーネルソンブログMore about Xbox Series X

日本マイクロソフトニュースセンター Xbox Series X: 次世代を担う技術の紹介

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。 * が付いている欄は必須項目です

ABOUTこの記事をかいた人

映画、海外ドラマ、音楽、ビデオゲーム、ガジェット、自作ハイエンドPC、車、バイク、政治、経済、株式投資、格闘技、70年代のTVドラマ、超常現象などが大好きな湘南在住の管理人です。東京に住んでいた頃は、ハイエンドオーディオ、ハイエンドホームシアターなど趣味で実践していました。現在は、ソニー4KブラビアX9500Gの85インチで洋画、海外ドラマ、ビデオゲームをYAMAHAのA3070AVアンプ経由で5-1-4 9.1チャンネルのDolby Atmos環境で楽しんでいます。映画やゲームレビューはこのシステムかサブシステムのLG 55インチNANO91 4K 120Hzで検証しています。様々な幅広いジャンルでの経験で得た知識、見識をレビューやエッセイも含め、色々と書き綴って情報発信していきたいと思っています。尚、当サイトで書く内容は、あくまで個人的な好みや価値観での意見を書き綴っていますので、あしからず。 YOUTUBEチャンネルでは、高画質をモットーに4K解像度のゲームプレイ、PCゲームのベンチマーク動画、グラフィック比較動画に加えて他に好きなものなど、色々と公開していきたいと思いますので、お気に召したらチャンネル登録をよろしくお願いいたします。  https://www.youtube.com/user/hidebusa720