Xbox Series X – Xbox Velocity Architecture: SSD, Datendurchsatz und Hardware-beschleunigte Dekomprimierung

Microsoft hat in einem sehr ausführlichen Blog-Artikel die „Xbox Velocity Architecture“ der Xbox Series X näher vorgestellt. Als „Xbox Velocity Architecture“ wird das Speicher-Management und die Geschwindigkeit der Datenübertragung bezeichnet. Sony legt bei der PlayStation 5 ebenfalls sehr viel Wert auf diesen „Datenschleuder-Aspekt“ und hat in Bezug auf die puren Datendurchsatzraten in diesem Bereich die Nase vor.

Interner Speicher (SSD)

• PlayStation 5: 825 GB Custom SSD
• Xbox Series X: 1 TB Custom NVME SSD

I/O Throughput

• PlayStation 5: 5,5 GB/s (Raw) und 8-9 GB/s (Komprimiert; mit benutzerdefiniertem Hardware-Dekomprimierungsblock)
• Xbox Series X: 2,4 GB/s (Raw) und 4,8 GB/s (Komprimiert; mit benutzerdefiniertem Hardware-Dekomprimierungsblock)

Jason Ronald, Direct of Program Management der Xbox Series X, erklärt: „Moderne Spiele erfordern eine beträchtliche Datenmenge, um die immer detaillierteren Welten und Universen zu schaffen, in die Spieler mit all ihren Sinnen eintauchen. Um eine optimale Leistung des Prozessors zu gewährleisten, müssen all diese Daten aus dem Festplattenspeicher in den Arbeitsspeicher geladen werden. Die wachsende Größe dynamischer Open World-Umgebungen und lebendiger, beständiger Welten mit erhöhter Dichte und Vielfalt hat die erforderliche Datenmenge immer weiter erhöht. (…) Obwohl moderne Game-Engines in der Lage sind, Spielinhalte aus dem lokalen Festplattenspeicher in den Arbeitsspeicher zu streamen, müssen Leveldesigner oft immer noch kleine Räume implementieren, um die Einschränkungen einer traditionellen Festplatte und I/O-Pipeline zu umgehen. Diese Ingame-Elemente werden oft dazu verwendet, um die Notwendigkeit zu verschleiern, die Assets der vorherigen Zone aus dem Arbeitsspeicher zu löschen und gleichzeitig neue Assets für die nächste Zone zu laden. Diese Einschränkung würde auch die Entwicklung zukünftiger, immersiver Spiele massiv ausbremsen, weshalb sie wesentlich das Design und die Entwicklung der Xbox Velocity Architecture beeinflusste.“



Die Xbox Velocity Architecture besteht aus vier Hauptkomponenten: eine spezielle NVME SSD-Festplatte, Hardware-beschleunigte Dekomprimierungsblöcke, Die DirectStorage-API-Ebene und Sampler Feedback Streaming (SFS). Microsoft erklärt die vier Bestandteile in den folgenden Abschnitten.

NVMe SSD-Festplatte
Microsoft: „Die Grundlage der Xbox Velocity Architecture ist unsere maßgeschneiderte 1 Terabyte NVME SSD-Festplatte, die einen rohen I/O-Durchsatz [Input/Output-Durchsatz] von 2,4 GB/s liefert – mehr als das 40-fache des Durchsatzes der Xbox One. Herkömmliche SSDs, die in vielen PCs verwendet werden, verringern häufig die Leistung bei steigender Wärmeentwicklung oder während ihrer Laufwerkswartung. Die maßgeschneiderte NVME SSD der Xbox Series X ist für konsistente, dauerhafte Leistung im Wechsel mit Höchstleistung konzipiert. (…) Dasselbe Maß an konsistenter, nachhaltiger Leistung liefert auch die erweiterbare Speicherkarte von Seagate, die unabhängig vom Speicherort des Spiels ein gleichbleibend performancestarkes Spielvergnügen gewährleistet.“

Hardware-beschleunigte Dekompression
Microsoft: „Spielepakete und Assets werden komprimiert, um die Downloadzeiten und den Speicherbedarf für jedes einzelne Spiel zu minimieren. Dank Hardware-beschleunigter Unterstützung sowohl für den LZ-Dekompressor als auch für den neuen, eigens für Texturdaten entwickelten Algorithmus BCPack erzielen Entwickler auf Xbox Series X massive Einsparungen ohne Qualitäts- oder Leistungsverlust. Diese zwei parallel genutzten Technologien verringern die Gesamtgröße eines Spielepakets deutlich, da sie die gewaltigen Mengen an Texturdaten effizienter komprimieren. Unter der Annahme eines Komprimierungsverhältnisses von 2:1 liefert Xbox Series X eine effektive I/O-Performance von 4,8 GB/s für den Titel. Dies entspricht etwa dem hundertfachen der I/O-Performance in Konsolen der aktuellen Generation. Um eine ähnlich hohe Dekomprimierungsleistung in Software zu erreichen, wären mehr als vier Zen 2 CPU-Kerne erforderlich.“

Neue DirectStorage API
Microsoft: „Das standardisierte Dateiformat der I/O APIs wurde vor mehr als 30 Jahren entwickelt und ist praktisch unverändert geblieben, während die Speichertechnologie seitdem erhebliche Fortschritte gemacht hat. Als wir die Zugriffsmuster auf Spieldaten sowie die neuesten Hardware-Fortschritte mit der SSD-Technologie analysierten, wussten wir, dass wir den Stand der Technik vorantreiben mussten, um den Entwicklern mehr Kontrolle zu geben. Wir fügten der DirectX-Familie also eine brandneue DirectStorage API hinzu, die Entwicklern eine feinere Kontrolle über ihre I/O-Operationen sowie das Einrichten mehrerer I/O-Warteschlangen ermöglicht, Priorisierungen zulässt und I/O-Latenzzeiten minimiert. Dank dieser APIs nutzen Entwickler die volle I/O-Performance der Hardware. So werden Ladezeiten oder Schnellreisen deutlich verkürzt und im wahrsten Sinne des Wortes schnell.“

Sampler Feedback Streaming (SFS)
Microsoft: „Das neue, innovative Sampler Feedback Streaming (SFS) baut auf allen sämtlichen Neuerungen der Xbox Velocity Architecture auf. Spieltexturen werden in verschiedenen Detailstufen und Auflösungen, sogenannten Mipmaps, optimiert und können während des Renderns verwendet werden – je nachdem, wie nah oder weit ein Objekt vom Spieler entfernt ist. Wenn sich ein Objekt näher an den Spieler heranbewegt, erhöht sich die Auflösung der Textur, um gestochen scharfe Details zu ermöglichen. Diese größeren Mipmaps verbrauchen jedoch eine Menge Arbeitsspeicher im Vergleich zu den Mips mit geringerer Auflösung, die verwendet werden, wenn das Objekt weiter entfernt ist. Zur Zeit müssen Entwickler eine ganze Mip-Ebene in den Arbeitsspeicher laden – selbst wenn sie nur einen sehr kleinen Teil der Gesamttextur abtasten wollen.“

„Durch spezielle Hardware, die der Xbox One X hinzugefügt wurde, waren wir bereits in der Lage, die Nutzung des Texturspeichers durch den Grafikprozessor zu analysieren. Hierbei stellten wir fest, dass der Grafikprozessor oft auf weniger als ein Drittel der geladenen Texturdaten zugreift. Eine einzelne Szene enthält oft Tausende von verschiedenen Texturen, was zu einem erheblichen Verlust an effektivem Arbeitsspeicher und ineffizienter I/O-Bandbreitennutzung führt. Mit dieser Erkenntnis waren wir in der Lage, neue Funktionen für den Grafikprozessor von Xbox Series X zu entwickeln. Diese neuen Funktionen ermöglichen das Laden von Teilbereichen einer Mip-Ebene in den Arbeitsspeicher – und zwar genau dann, wenn der Grafikprozessor sie benötigt. Durch diese Neuerung werden der I/O-Durchsatz und die Arbeitsspeicher-Nutzung im Durchschnitt 2,5-mal effektiver sein im Vergleich zu einer reinen Hardware-Leistung. So bietet SFS einen deutlichen Multiplikator für den verfügbaren Systemspeicher und die I/O-Bandbreite, wodurch mehr Arbeitsspeicher und I/O-Durchsatz zur Verfügung stehen, um Spiele noch immersiver zu gestalten.“

„Durch die massive Steigerung des I/O-Durchsatzes, die hardwarebeschleunigte Dekomprimierung, DirectStorage und die signifikanten Effizienzsteigerungen durch Sampler Feedback Streaming ermöglicht die Xbox Velocity Architecture Xbox Series X eine herausragende Performance, die weit über die reinen Hardwarespezifikationen hinausgeht. Sie bietet direkten, sofortigen Zugriff auf mehr als 100 GB an Spieldaten auf niedrigem Level, die auf der SSD-Festplatte gespeichert sind – und zwar genau dann, wenn das Spiel sie benötigt. Diese Innovationen werden neue Spielerfahrungen und ein nie da gewesenes Maß an Tiefe und Immersion in das Spielgeschehen ermöglichen. (…) Die Xbox Velocity Architecture (…) gewährleistet völlig neue Ansätze, wie Entwickler die Vorteile der Xbox Series X nutzen können und ermöglicht frische Rendering-Techniken sowie die virtuelle Eliminierung von Ladezeiten. (…) Darüber hinaus ermöglicht die Xbox Velocity Architecture weitere Innovationen auf Plattformebene – etwa die Quick Resume-Funktion, dank der Du über mehrere Spiele hinweg sofort dort weitermachst, wo Du ein Spiel pausiert hast“, führt Jason Ronald weiter aus.