Консоли

По мере приближения запуска нового поколения консолей Insomniac Games начала публиковать больше материалов, раскрывающих подробности о Marvels Spider-Man и Marvel's Spider-Man: Miles Morales. Оба проекта задействуют технологию трассировки лучей. На взгляд Алекса Баттальи из Digital Foundry, выглядит она очень достойно, если не сказать, что превосходно. Для старта весьма недурно.

Тем не менее, читая комментарии в Интернете, он столкнулся с немалым количеством критики по отношению к реализации технологии, а также к частоте и разрешению кадров. Поэтому в новое видео Digital Foundry он решил представить своего рода пособие по трассировке лучей на консолях следующего поколения и объяснить, почему в Marvel's Spider-Man она выглядит именно так.

Итак, обо всем по порядку. Давайте обсудим, для чего именно нужна трассировка лучей в Marvels Spider-Man на PS5.

При частоте кадров 30FPS с разрешением 4К трассировка лучей выглядит замечательно. При этом, как заведено в играх Insomniac, динамическое разрешение может использоваться, а может и нет. Здесь трассировка лучей применяется для отражений в игре, подобных тем, которые видны на дверях машин.



Или на этом скриншоте, где герой и город вдалеке отражаются в окне здания.



Согласно пресс-релизу, трассировка лучей также используется для фонового затенения (Ambient Occlusion, AO). Его труднее определить на скриншотах или в видео. Как правило, AO имитирует тени от непрямого освещения в тех областях, куда свету, отражающемуся в окрестностях сцены, труднее добраться.



Что касается комментариев в социальных сетях и на форумах, в них чувствуется разочарование в качестве отражений по методу трассировки лучей, которые, на первый взгляд, выглядят только на четверть основного разрешения. Но на них явно наложены фильтры, поэтому тут сказать наверняка сложно.



Отражения показываются в разрешении 1080p, тогда как остальная часть изображения в 4K. Комментаторы жалуются, например, на то, что листья в отражении более редкие либо вовсе отсутствуют по сравнению с теми, которые можно увидеть на реальном дереве. Или что некоторые внутриигровые объекты, такие как автомобили или пешеходы, могут не показываться в отражениях. Или на отсутствие теней. Или на пренебрежение мелкими деталями, например, на костюме Человека-паука.



На самом деле, все это неудивительно и относится к вынужденным мерам, казалось бы, воспринимающимся как само собой разумеющееся. Это связано с тем, что трассировка лучей производится в несколько шагов, от каждого из которых зависит общая производительность, имеющая очень ограниченный бюджет.

Давайте представим, что мы и есть те самые разработчики, которым нужно создать максимально реалистичные отражения, уложившись в заданный бюджет.



Разделим процесс работы с трассировкой лучей на четыре шага. Допустим, нам нужно уложиться в 8 мс для создания отражений для игры на 30 FPS при разрешении 4K.

Перейдем к первому шагу. Для моделирования лучей графический процессор должен иметь представление о сцене и геометрических объектах на экране и за его пределами. На первом этапе мы создаем легко читаемую версию игровой сцены. Чем больше в ней объектов и чем они динамичнее, тем больше времени займет этот шаг.

На втором этапе мы запускаем лучи в структуру, созданную на первом.



Чтобы увидеть, попадает ли луч куда-либо, окружим все объекты невидимыми хитбоксами. Таким образом, луч, попавший в сцену, движется сквозь нее до тех пор, пока не зарегистрирует попадание в геометрию. Чем больше лучей мы запускаем, чем дальше они проходят или чем больше хитбоксов заденут, тем больше времени потребуется для этого шага. Эта часть пайплайна трассировки лучей может быть аппаратно ускорена на консолях и ПК.

На следующем этапе происходит затенение попадания или выбор цвета пикселя.



Чем больше попаданий затеняется или чем сложнее затенение, тем больше времени потребуется на этот шаг.



Третий шаг дает нам нужные цвета и оттенки, но они могут иметь не совсем удачные переходы либо быть шумными. Эта проблема решается на четвертом этапе. Как правило, чем точнее результат третьего шага очищается на четвертом, тем больше времени занимает процесс.



Весь пайплайн необходимо уложить в общей сложности в восемь миллисекунд, и вначале мы далеки от этой цели. Необходимо произвести настройку шагов, чтобы снизить временные затраты, а также удостовериться, что наши отражения по-прежнему смотрятся хорошо и соответствуют игровому дизайну. Это может привести к снижению качества отражений в одних областях и его повышению в других.



Одна из первых оптимизаций, к которой мы прибегнем, уменьшение разрешения для трассировки лучей. Таким образом мы ограничим количество выходящих лучей и сократим время, необходимое для второго и третьего шага.



Как видно на скриншоте ниже, отражение выглядит почти в четверть исходного разрешения. Эта оптимизация выполняется не только для консольных графических процессоров, но и по отношению вообще ко всем ГП, поскольку трассировка лучей невероятно требовательна к ресурсам.



Посмотрим на скриншот из демо The Ghost Runner с включенной трассировкой лучей с разрешением 4K на видеокарте RTX2060 Super. Здесь мы видим некоторые отличия по сравнению с Человеком-пауком. Unreal Engine 4, на котором создана игра, использует метод трассировки лучей чуть более дорогой по времени, но физически более точный, чем в Человеке-пауке.



RTX 2060 Super работает аналогично RTX 2070, имеет такую же пропускную способность шины памяти, как и у PS5, и такой же ее объем 8 ГБ. RTX 2060 Super, скорее всего, станет отличной отправной точкой для сравнения с графическим процессором PlayStation 5.



Когда сцена вместе с отражениями рендерится в 4K, а количество самих отражений на экране столь невелико, как в случае со статичной лужей выше, графический процессор едва укладывается в 30 FPS. Если бы в сцене было больше динамики, частота кадров определенно была бы меньше. Уменьшение осевого разрешения трассировки лучей на 50% и, таким образом, общего разрешения до 1080p увеличивает производительность примерно на 27%, оставляя свободные ресурсы в графическом процессоре для повышения частоты кадров до 30 FPS.



В других сценах можно увидеть более впечатляющие результаты. Как, например, здесь. Отражающая стеклянная поверхность занимает почти весь экран. В этом случае отражения с исходным разрешением 4К приводят к частоте кадров 21 FPS. При этом понижение разрешения отражений до 1080p увеличивает частоту кадров на 58% до 33 FPS при необходимых 30 FPS.

Таким образом, на графическом процессоре с такой же производительностью, что и у PS5, необходимо использовать отражения с трассировкой лучей с более низким разрешением для возможности поддерживать постоянной частоту кадров 30 FPS при общем разрешении 4К. Тогда становится понятным, почему для снижения стоимости трассировки лучей в Человеке-пауке будут использоваться отражения только при 1080p.



Вернемся к нашему примеру расчета. Мы уменьшили разрешение отражений, так что второй и третий этапы теперь занимают меньше времени. Но в заданный бюджет длительности кадра мы все еще не вписываемся.

Давайте попробуем сократить время первого шага, уменьшив динамичность либо количество объектов, по отношению к которым будет выполняться трассировка лучей. Так, на показанных ранее скриншотах некоторые динамические объекты могли отсутствовать в отражениях. Или здесь, в геймплейном видео Miles Morales, в массовых сценах порой можно заметить, что некоторые из NPC не отражаются на поверхностях.



По опыту других разработчиков мы знаем, что прорисовка множества персонажей на экране может оказаться очень ресурсоемкой. Например, отрисовка некоторых сцен в Metro Exodus с большим количеством персонажей на RTX 2080 Ti занимает более 4 мс. В нашем случае это окажется половиной отведенного бюджета непозволительная для наш роскошь.

Итак, уменьшение количества динамических объектов на первом этапе трассировки лучей приводит к ускорению процесса, и тогда мы вписываемся в отведенные 8 мс.



Однако получившийся результат может оказаться не таким впечатляющим, как хотелось бы.

Например, взглянем на эти скриншоты Battlefield V.




Как мы видим выше, здания в отражениях то появляются, то исчезают. Не самый желательный эффект, поэтому увеличим расстояние, которое могут пройти лучи на втором шаге, а также дальность, на которой объекты включаются в структуру на первом.



Возвращаясь к нашему кадру из Человека-паука, мы видим, что в отражениях видны объекты, находящиеся очень далеко. Вероятно, было бы очень неприятно, если бы объекты на горизонте отсутствовали в отражениях или постоянно мигали, то появляясь, то исчезая.



Поэтому, учитывая в отражениях здания, расположенные далеко от источника отражения, и увеличивая расстояние, которое проходят лучи, нам придется жертвовать чем-то еще, чтобы это окупить.



Вернемся снова к нашему расчету. Решив учитывать в отражениях дальние объекты, мы снова оказались за рамками своего бюджета. Поэтому еще раз пересмотрим пайплайн на предмет возможных упрощений. Пожалуй, второй шаг вернет нас к желаемым 8 мс.

Снова посмотрим на наш скриншот с городом. В отражении на окне можно увидеть более редкие или вовсе отсутствующие листья по сравнению с тем, как они выглядят на изначальной модели дерева. Листья здесь классифицируются как прозрачные, а для прозрачных объектов второй шаг пайплайна занимает больше времени. Мы знаем это из опыта с Battlefield V, где частицы и отражения делают некоторые сцены чрезвычайно дорогими.



Что касается Человека-паука, мы можем уменьшить количество листьев на деревьях в отражениях перед вторым шагом. А еще сделаем так, чтобы эффекты частиц не обрабатывались трассировкой лучей, как здесь, где туман в отражении не отображается.



Теперь мы почти вписываемся в бюджет кадра, но все еще немного его превышаем.



Последняя оптимизация может быть сделана на третьем шаге, где мы используем затенение.

Вернемся снова к нашему скриншоту. Заметили ли вы отсутствие мелких деталей в отражении костюма Человека-паука? Которые видны на его настоящем костюме? Если мы упростим материал в отражении, потребуется меньше времени на его прорисовку.



В этом нет ничего такого, ведь многие игры, использующие трассировку лучей, такие как Wolfenstein: Youngblood, прибегают к тому же приему.



В результате мы укладываемся в отведенные 8 мс. Так, мы повысили качество отражений в некоторых аспектах, например, добавив отражения удаленных объектов, но в то же время прибегли к определенным упрощениям, таким как понижение разрешения отражений.



Надеемся, на этом примере нам удалось донести представление о том, с какими дилеммами сталкиваются разработчики игр, когда им приходится иметь дело с ограниченным бюджетом производительности и такими дорогостоящими технологиями, как трассировка лучей.

Новое поколение игровых консолей выходит уже в этом году, а шумиха, связанная с Xbox Series X и Playstation 5, не утихает уже больше года. Реальные технические подробности, а не только лишь слухи, просачивались медленно, и на сегодня мы ещё знаем об этих консолях слишком мало по сравнению с тем, сколько мы обычно знаем о будущих платформах ПК после их анонса, ещё до того, как они поступят в продажу. У нас есть некоторые цифры от Microsoft и Sony, связанные с максимальным быстродействием, но не полный список спецификаций.

Новое поколение консолей станет мощнее как по CPU, так и по GPU, однако это справедливо для каждого нового поколения, и никого не удивляет, когда чипы консолей обновляют микроархитектуру точно так же, как CPU и GPU от AMD, от которых они и происходят. Более интересно изменение схемы хранения данных у новых консолей они не просто идут вслед за рынком ПК и переходят с механических жёстких дисков на твердотельные накопители, они перегоняют его, стремясь получить наибольшую выгоду от использования твердотельных накопителей.


Внутренности Xbox Series X

Твердотельные накопители произвели революцию на рынке ПК, обеспечив невероятные улучшения быстродействия систем. Игры в основном выиграли за счёт увеличения скорости установки и загрузки, однако быстрая работа накопителей помогает также уменьшать задержки и устранить подёргивание при подгрузке игрой данных на лету. В последние годы твердотельные накопители типа NVMe на бумаге выдавали скорости в несколько раз большие, чем в принципе возможны для твердотельных накопителей на интерфейсе SATA, однако для игроков преимущества первых были довольно размытыми. Здравый смысл говорит, что в этом разочаровании виноваты два фактора: во-первых, практически все игры и игровые движки до сих пор рассчитаны на игру с жёсткого диска, поскольку у существующих консолей и не самых передовых ПК нет твердотельных накопителей. Программисты игр не могут воспользоваться преимуществами NVMe в полной мере без того, чтобы не сделать свои игры совершенно неиграбильными при использовании ими жёсткого диска. Во-вторых, твердотельные накопители на SATA уже стали достаточно быстрыми для того, чтобы передать звание узкого места какой-то другой части системы, например, процессу распаковки данных. Нужно ускорить что-то ещё, кроме твердотельных накопителей, для того, чтобы игры начали получать все преимущества быстродействия NVMe.

Microsoft и Sony в своих новых консолях работают с обеими этими проблемами. Вскоре разработчики игр смогут спокойно предполагать, что у пользователей будут очень быстрые накопители, как на консолях, так и на ПК. Кроме того, новое поколение консолей добавит дополнительное оборудование, призванное устранить узкие места, которые у них остались бы, будь это просто ПК средней руки с очень быстрым твердотельным накопителем. Однако пока что в нашем распоряжении есть только мощная шумиха, рекламирующая будущие устройства. Обе компании замечены в преувеличении или чрезмерном упрощении ситуации, когда они пытаются приукрасить новые возможности своих будущих консолей особенно в части твердотельных накопителей. И поскольку эти консоли пока представляют собой закрытые платформы, не появившиеся на рынке, некоторые из наиболее интересных технических подробностей до сих пор держатся в секрете.



Основной источник официальной технической информации по поводу PS5 (и в особенности её твердотельного накопителя) это ведущий дизайнер Марк Церни [Mark Cerny]. В марте он делал часовой доклад о технической стороне PS5, и около трети времени посвятил накопителям. В числе менее официальных источников находятся заявки на патенты Sony, судя по всему, относящиеся к PS5 включая и тот, что хорошо сочетается с подтверждёнными деталями о технологии хранения данных на этой консоли. В патенте раскрывается множество идей, исследованных компанией во время разработки PS5, и многие из них наверняка попадут в итоговый продукт.

Microsoft решила давать утечки технических подробностей тоненькой струйкой, разбрасывая информацию по периодическим постам в блогах и интервью, особенно с сайтом DigitalFoundry (где также хорошо описали и PS5). Там компания раскрыла зарегистрированные названия множества технологий, связанных с накопителями (к примеру, Xbox Velocity Architecture), однако во многих случаях кроме самого названия технологии нам больше ничего о ней не известно.

Кроме официальных источников у нас есть утечки, комментарии и слухи разного качества, идущие от партнёров и других источников в индустрии. Они определённо помогают поддерживать шумиху, однако конкретно об использовании твердотельных накопителей в консолях эти слухи дают очень мало технических подробностей. У нас остаётся очень много пробелов, требующих анализа того, что, возможно, и что, вероятно, будет в новых консолях.

Что нам известно о твердотельных накопителях этих консолей?

Microsoft и Sony используют специальные твердотельные накопители типа NVMe, хотя специальные они по-разному. Решение Sony пытается в два раза обогнать по скорости решение от Microsoft, и определённо оно будет более дорогим, хотя и менее объёмным. В целом, быстродействие твердотельных накопителей от Sony должно быть сравнимо с самыми дорогими PCIe 4.0 NVMe SSD, которые должны появиться в розничной продаже в конце года, а SSD от Microsoft лучше будет сравнить с накопителями типа NVMe начального уровня. Однако оба варианта это большой шаг вперёд по сравнению с механическими жёсткими дисками и даже твердотельным накопителем с интерфейсом SATA.

Подтверждённые спецификации твердотельных накопителей

Самый важный и впечатляющий показатель твердотельных накопителей для консолей это скорость последовательного чтения. Скорость записи на твердотельные накопители практически не влияет на быстродействие видеоигр, а когда игры считывают данные блоками, обычно их размер превышает 4 кб объём, на котором рассчитываются показатели скорости твердотельных накопителей. Скорость чтения 2,4 ГБ/с у Microsoft в 10-20 раз быстрее, чем у механического ЖД, однако серьёзно отстаёт от текущих стандартов высокоскоростных потребительских твердотельных накопителей, способных насытить интерфейс PCIe 3.0 x4 скоростями по меньшей мере в 3,5 ГБ/с. 5,5 ГБ/с у Sony чуть быстрее, чем у имеющихся сегодня PCIe 4.0 SSD на контроллере Phison E16, но каждый из конкурентов на рынке высокоскоростных потребительских твердотельных накопителей уже готовит собственное продвинутое решение. К тому времени, когда оно появится, быстродействие твердотельных накопителей в PS5 будет ничем не примечательным оно будет соответствовать другим передовым твердотельным накопителям, и превосходить только другие консоли и дешёвые ПК, в бюджет которых не вписывается скоростной накопитель.

Sony раскрыла тот факт, что их твердотельный накопитель использует специальный контроллер с 12-канальным интерфейсом к флэш-памяти NAND. Это, вероятно, наиболее важное отличие их системы от типичных потребительских твердотельных накопителей. Обычно скоростные потребительские твердотельные накопители используют 8-канальные контролеры, а самые простые накопители 4-канальные. Больше каналов обычно встречается у твердотельных накопителей для серверов, особенно для тех, что требуют большой пропускной способности. Чаще встречаются 16-канальные контроллеры, но бывают и 12, и 18-канальные. Использование компанией Sony большего, по сравнению с последними потребительскими накопителями, количества каналов, означает, что их контроллер будет необычно крупным и дорогим. Но с другой стороны, им не нужно будет, чтобы каждый канал был сверхбыстрым, для того, чтобы достичь цели в 5,5 ГБ/с. Они могут использовать любую 64-слойную TLC NAND и получить адекватную скорость работы, при том, что потребительские твердотельные накопители, пытающиеся достичь подобного быстродействия, нужно сочетать с более новой и быстрой NAND флэш-памятью.

12-канальный контроллер даёт ещё и необычно большой максимальный объём. Консольному твердотельному накопителю не нужно быть сильно больше по объёму, чем типичному потребительскому, поэтому на 50% больше каналов может означать на 50% больший объём. У PS5 будет 825 ГБ места, а значит, каждый из каналов будет оборудован 64 ГиБ NAND, организованной либо на одном кристалле в 512 Гбит (64 ГБ), либо на двух по 256 Гбит (32 ГБ) на канал. Это значит, что номинальный объём NAND составит 768 ГиБ, или 824,6 ГБ. Свободного места на нём, за исключением зарезервированной области, будет, скорее всего, столько же, сколько места есть на накопителях, о которых производители пишут 750 ГБ, поэтому 825 ГБ от Sony представляет собой преувеличение более, чем на 10% а от такого любой юрист придёт в возбуждение.

Стоит упомянуть, что нереально ожидать от Sony разработки собственного высокоскоростного контроллера NVMe точно так же, как разработки собственного процессора или GPU. Ей пришлось договориться с существующим производителем контроллеров и заказать себе специальный контроллер вероятно, сделанный уже на существовавших технологиях однако, кто именно этот их партнёр, мы не знаем.

Твердотельный накопитель от Microsoft не будет выходить за пределы того, что существует на современных ПК. Сегодня SATA SSD для OEM уже пройденный этап, однако целый терабайт для ПК по цене консолей будет достаточно интересным предложением для пользователей. Различные источники говорят о том, что в Microsoft решили использовать готовый контроллер от одного из обычных подозреваемых (вероятно, Phison E19T), а сам накопитель делает один из крупных производителей. Однако компания всё равно может заявить об использовании специального форм-фактора и, вероятно, специальной прошивки.

Ни одна из двух компаний не поделилась информацией о внутренностях их твердотельных накопителей, кроме 12-канального контроллера от Sony, но их объём и скорость дают представление о том, что можно от них ожидать. Sony решила использовать TLC NAND, а менее скоростная цель Microsoft больше соответствует QLC NAND. 2,4 ГБ/с это немного больше, чем мы видим у текущих 4-канальных накопителей QLC, таких, как Intel 665p (со скоростью порядка 2 ГБ/с), но гораздо меньше, чем у 8-канального QLC типа Sabrent Rocket Q (3.2 ГБ/с для модели объёмом 1 ТБ). Лучше всего под описание Microsoft подходит 4-канальный накопитель с TLC NAND, однако более новые 4-канальные контроллеры типа Phison E19T должны поддерживать такие скорости с правильным вариантом QLC NAND. Любая консоль может в ближайшем будущем заполучить версию с удвоенной скоростью, использующую QLC NAND, для того, чтобы достичь такого же быстродействия, как у оригинальных моделей.

Без DRAM, ну и что?

Без конкретных показателей по записи и случайному чтению мы не можем исключить вероятность использования в любой из консолей DRAMless-контроллера. Включение в таблицы flash translation layer (FTL) накопителя кэша на DRAM в основном увеличивает быстродействие двумя способами: предотвращение падения скорости записи, когда накопитель достаточно заполнен для того, чтобы ему приходилось в фоне жонглировать данными, и увеличение скорости случайного доступа при чтении данных со всего накопителя. Два этих случаях к консолям не особенно подходят: они ориентированы на чтение и доступ только к одному набору данных игры в один момент времени. Даже если установочный размер игр дойдёт до 100-200 ГБ, объём используемых в один момент времени игрой данных не будет превышать пары десятков ГБ, а с этим легко справится DRAMless-накопитель при достаточном объёме SRAM на самом контроллере. В случае с Microsoft выбор DRAMless весьма вероятен, и если в любом другом контексте увидеть 12-канальный DRAMless-контроллер было бы странно, то для Sony такой вариант кажется подходящим (и позволяет сэкономить деньги, потраченные на многоканальность).

Упомянутый ранее патент от Sony подробно описывает, как именно можно подготовить DRAMless-контроллер для использования в консолях. Вместо того, чтобы кэшировать часть FTL таблицы соответствия физических и логических адресов на SRAM контроллера, Sony предлагает делать эту таблицу достаточно маленькой для того, чтобы она умещалась в буфер SRAM. У типичных твердотельных накопителей на каждый ТБ флэш-памяти есть 1 ГБ DRAM. Это прямое следствие того, как FTL работает с флэш-памятью блоками памяти по 4 кБ. Если работать с памятью более крупными блоками, это уменьшит требования к объёму памяти для хранения таблицы. Минус в том, что запись небольших кусочков информации будет идти медленнее. Western Digital продаёт специальный промышленный твердотельный накопитель, использующий для FTL не 4 кБ, а 32 кБ, и в результате ему нужно в восемь раз меньше DRAM. Скорость случайной записи этого твердотельного накопителя ужасная, однако скорость чтения конкурентноспособная. Патент от Sony предлагает выйти далеко за пределы 32 кБ и использовать блоки по 128 МБ для FTL, что уменьшит размер таблицы до нескольких килобайт. Для этого системе нужно очень тщательно подходить к вопросу о том, что и когда записывать на накопитель, однако скорость чтения, на которую полагаются игры, от этого не пострадает.

Короче говоря, если твердотельный накопитель от Sony будет очень быстро работать в предполагаемых режимах, то я готов спорить, что на ставить его на свой ПК с Windows вы не захотите. То же, возможно, будет справедливым и для твердотельных накопителей от Microsoft в зависимости от того, какую они сделают прошивку.

Расширяемость

И Microsoft, и Sony предлагают возможности по расширению хранилища NVMe в будущих консолях. Microsoft для этого собирается сделать специальный съёмный форм-фактор для твердотельных накопителей, напоминающий те времена, когда картриджи для консолей изменялись мегабайтами вместо терабайтов, а флэшки с USB не были распространены. Поскольку все компоненты те же, карта расширения функционально будет идентичной внутреннему накопителю. Минус в том, что Microsoft будет контролировать производство и продажу таких карт, что повлияет на их стоимость. Пока что только Seagate является подтверждённым партнёром по продаже этих проприетарных карт расширения.

Sony поступает наоборот, и даёт пользователю доступ к стандартному разъёму M.2 PCIe 4.0. Требования не совсем понятны: Sony будет проводить испытания на совместимость с накопителями сторонних производителей, чтобы опубликовать список совместимости, однако не говорят, будет ли их консоль отвергать накопители, не входящие в итоговый список. Накопителю, чтобы попасть в список, нужно чисто механически помещаться в разъём, а также предлагать быстродействие не хуже внутреннего накопителя от Sony. Это означает, что пока ни один из имеющихся в продаже накопителей не подходит для этой цели, однако в следующем году ситуация сильно поменяется.