Por dentro da nova Xbox: Revelada a tecnologia da Project Scorpio

Na semana passada, o Digital Foundry foi convidado pela Microsoft a visitar o centro em Redmond para uma antevisão exclusiva da tecnologia na nova Xbox, com nome de código Project Scorpio. Em termos de revelação de especificações, isto não tem precedentes: é a primeira vez em termos de acesso antecipado aos principais arquitectos do sistema, e uma oportunidade única em termos de timing. A Scorpio está, aparentemente, avançada em termos de calendário, ao ponto de provavelmente estarmos a seis meses do lançamento e já vimos software impressionante a correr lindamente no silício de produção.

Teremos todas as especificações que precisas, mas a Microsoft levou-nos até Redmond por uma razão muito simples: os números, por mais impressionantes que sejam, não representam em pleno o objectivo do produto final. Nem sequer o número de unidades computacionais ou teraflops representa a paixão que a equipa Xbox injectou neste projecto. A Microsoft quer provar algo. Não é apenas sobre performance, é sobre levar a qualidade do design de consolas a um novo nível - em todas as áreas.

As manchetes? Combinando um design inteligente com poder em bruto, a Scorpio alcança o alvo de 6 teraflops apresentado na E3 2016, graças a uma GPU personalizada que foi desenhada, desde o primeiro dia, para maximizar a performance dos existentes jogos Xbox One - e que corre numa velocidade tão alta que estabelece um precedente nas consolas. A GPU é acompanhada por 12GB de memória GDDR5 super rápida e uma CPU de oito núcleos personalizada, tudo inserido dentro de um corpo compacto com alimentação incorporada e arrefecimento de topo para uma consola.

A performance é espantosa. Vimos uma demo de Forza MotorSport a correr na máquina a nativa 4K e definições equivalentes à Xbox One, e alcançava os 60fps com uma margem de performance enorme - sugerindo que a Scorpio alcançará 4K nativa com facilidade na maioria dos jogos, e tem poder de sobra para investir em outras melhorias visuais. E embora 4K seja o objectivo, a Microsft está a prestar atenção aos utilizadores com 1080p, prometendo que todos os modos estarão disponíveis para eles.

A corrida pela 4K e o Scorpio Engine

Em Redmond, a apresentação é rápida antes de mergulharmos na tecnologia. A Project Scorpio evoluiu desde que foi apresentada por Phil Spencer na E3 2016, e em alguns aspectos principais soa familiar à proposta da PlayStation 4 Pro - um ponto que não foi perdido na Microsoft. Visuais a 4K ultra HD para uma nova geração de televisões é o alvo, mas a solução da Microsoft significa melhorias substanciais nas especificações sobre o design da Pro em quase todas as áreas. Dito isto, a filosofia da Sony sobre um design GPU 'inteligente' também está presente aqui, executado de forma diferente, e apoiado por muito mais poder.

"Para mim, [4K] significa um conjunto muito específico de coisas. É muito mais do que entregar aqueles mais de oito milhões de pixeis no ecrã enquanto corres o jogo," diz Kevin Cammil, Director do Grupo de Programa na plataforma Xbox Core. "É sobre entregar esses pixeis com assets a 4K, para que tenham um aspecto fantástico. É sobre entregar esses pixeis com HDR e uma elevada fidelidade de cores. É sobre entregar esses pixeis sem perdas no rácio de fotogramas comparado com a versão 1080p desse jogo - é super-importante para nós. O áudio espacial acrescenta imersão: para entregar a valer essa experiência gameplay, não é apenas o que vês mas também o que ouves."

O Scorpio Engine é fundamental nesta nova consola, o novo SoC (sistema no chip) foi novamente desenvolvido em conjunto com a AMD. Tal como outros aspectos na caixa, desenvolver o novo processador foi baseado numa cadência de trabalho revolucionária - que apenas podia ser alcançada num design a meio da geração.

Xbox One X/ Project Scorpio Exclusive: Final Specs Revealed!

"Ao chegar à 4K, Andrew [Goossen] e a equipa fizeram uma análise profunda," continua Gammil. "Temos esta ferramenta de desenvolvimento chamada PIX [Inspector de Performance na Xbox]. Deixa-nos capturar traços da GPU. Ele e a sua equipa fizeram uma análise profunda ao longo de vários jogos para descobrir se jogos a 900p ou superior seriam capazes de correr no seu rácio de fotogramas a 4K na Scorpio. Essa era a nossa determinação, e começámos o nosso trabalho para determinar as especificações do Scorpio Engine. Não é um processo em que telefonas à AMD e dizes que ficas com esta parte, esta e aquela. Existe um trabalho mesmo muito específico aqui feito."

Tradicionalmente, os criadores de jogos têm de trabalhar de acordo com as características da consola, mas uma vez que o design da Scorpio era converter jogos existentes para 4K, a equipa de hardware podia criar um perfil em jogos actuais e personalizar o design de acordo com as características comuns. A PIX forneceu os dados e depois foram inseridos num emulador, onde a equipa da Microsoft podia ver como esses jogos iriam, em perspectiva, correr na Scorpio. Podiam ser testadas múltiplas configurações para alcançar o melhor equilíbrio.

"Nós pegámos nas capturas da PIX de todos os nossos principais programadores...avaliámos todas à mão e depois extrapolámos qual seria o trabalho para esse jogo suportar uma resolução de renderização a 4K," diz Andrew Goossen. "Agora tínhamos um modelo para todos os jogos Xbox One mais vendidos através do qual podíamos ajustar a configuração para o número de UCs, relógio, largura de banda da memória, número de renderizadores em segundo plano, número de motores para shaders, tamanho da cache. Podíamos ajustar o nosso design e descobrir qual a melhor configuração. Era incrivelmente valioso ser capaz de efectuar esses compromissos, porque estes eram os jogos Xbox One que queríamos colocar a 4K."

Espantosamente, tudo isto aconteceu há um ano atrás, antes de ser fabricado qualquer hardware. O conhecimento ganho ao traçar o perfil de jogos Xbox One também permitiu personalizações mais detalhadas no hardware AMD.

"Também tivemos em conta o facto de compreendermos muito bem a arquitectura AMD e como se porta nos nossos jogos," continua Goossen, "fomos capazes de examinar muitas das filas e buffers e caches e FIFOs internos para criar esta cadência muito profunda que, se conseguires encontrar as áreas que estão a causa afunilamentos, numa área muito pequena [no processador] podíamos aumentar esses tamanhos e alcançar vitórias efectivas."

O resultado final são 40 unidades computacionais Radeon no Scorpio Engine personalizado, a correr nuns espantosos 1172MHz - um grande aumento sobre os 853MHz da Xbox One, e até dos 911MHz da PS4 Pro. Acertámos em muita coisa na nossa análise original às especificações da Project Scorpio, mas erramos por muito em termos das possíveis velocidades da GPU. A forma como a Microsoft conseguiu isto diz imenso da qualidade da engenharia no resto da caixa, mas o facto é que a GPU da Scorpio está apenas 94MHz abaixo da velocidade máxima da gráfica RX 480 da AMD baseada na Polaris, que apenas tem 36 unidades computacionais - e existe um arrefecimento personalizado e robusto para manter a sua velocidade máxima.

"São os itens mais importantes, mas também tivemos de fazer muitas outras configurações," diz Goossen, apontando para um esquema do processador Scorpio Engine. "Como podes ver, duplicamos a quantidade de motores shader. Isso afecta a melhoria do reforço do rácio de vértice e triângulo por 2.7x quando incluis também o reforço no relógio. Duplicámos o número de back-ends do renderizador, cujo efeito é aumentar a nossa taxa de preenchimento por 2.7x. Quadruplicámos o tamanho da cache GPU L2, para, mais uma vez, alcançar a performance 4K."

Desbloqueando o poder: memória, CPU e áudio

A matemática resulta: a Microsoft consegue o seu alvo de 6 teraflops para a GPU, mas foi necessário um grande salto em outras áreas da arquitectura da consola para maximizar a eficácia do hardware. Como vemos nas análises às gráficas, as GPUs exigem muita largura de banda da memória para conseguir números de pixeis ultra HD.

"Para assets a 4K, as texturas ficam maiores e também os alvos de renderização ficam maiores. Isto significa duas coisas - precisas de mais espaço, precisas de mais largura de banda. A questão é quanto mais?" pergunta Nick Baker, Engenheiro. "Detestaríamos construir esta GPU e depois ter problemas de memória. Por isso, toda a análise da qual o Andrew falou, permitiu-nos olhar para o efeito de diferentes larguras de banda na memória, e rapidamente mostrou-nos que precisamos mais de 300GB/s de largura de banda. No final, acabamos por escolher 326GB/s. Na Scorpio usávamos uma interface 84-bit GDDR5 - são 12 canais. Cada canal são 32 bits."

A Scoprio corre os seus módulos GDDR5 por uma interface 384-bit GDDR5 ("Tinhas razão!" ri Goossen) que usa 12 canais 32-bit. Os módulos em si correm a 6.8GHz, oferecendo uma largura de banda final de 326GB/s - e além disso, a Microsoft beneficia com o sistema de compressão de cor delta da AMD, um elemento ausente na Xbox One. E sim, a Scorpio tem mesmo 12GB de memória, tal como indicado no renderizador E3 da motherboard, 8GB deles disponíveis aos programadores, 4GB reservados para o sistema. Comparado com a Xbox One é 1GB adicional, necessário para correr a dashboard a 4K nativa. Os jogos conseguem na mesma um impressionante aumento de 60% na memória geral, e para assegurar tempos de carregamento consistentes com os jogo Xbox One 1080p, a Scorpio será lançada com um disco rígido de 1TB com 50% de aumento na largura de banda.

Para que fique registado, a ESRAM é um excesso no design da Scorpio, tal como revelámos antes. "A memória do sistema que temos, temos largura de banda suficiente para cobrir o que temos da ESRAM e mais ainda," explica Baker. "Simplesmente usamos o nosso sistema de memória visual para mapear os 32MB de endereço físico para que os velhos jogos pensem que acederam aos 32MB na GDDR5. A latência é maior, mas em termos de performance agregada, a largura de banda reforçada e a performance GPU melhorada significa que não teremos problemas."

Na GPU, existiram muitos rumores que a Scorpio usaria a nova tecnologia Ryzen da AMD - algo que nos custou a acreditar, devido ao calendário do fabrico, sem esquecer que a Microsoft nos disse em 2016 que a nova consola teria 8 núcleos CPU. Todo apontava para núcleos Jaguar presentes na Xbox One com velocidades superiores e o esquema CPU da Scorpio é mesmo uma evolução dessa tecnologia, mas sujeita a uma personalização extensiva e a delegação de tarefas principais para hardware dedicado.

"Portanto, oito núcleos, organizados em dois conjuntos com um total de 4MB de cache L2. São CPUs únicas e personalizadas para a Scorpio que correm a 2.3GHz. Voltando aos objectivos, queríamos manter a retro-compatibilidade a 100% com a Xbox One e Xbox One S e ainda melhorar a performance," diz Baker.

Os novos núcleos x86 na Scorpio são 31% mais rápidos que os da Xbox One, e foi feita uma personalização extensiva para reduzir a latência de forma a manter o processador mais ocupado, enquanto a coerência CPU/GPU também recebeu melhorias na performance. Existe uma significativa delegação no hardware - alguma dela herdada da Xbox One, alguma dela nova. O processador de áudio na Xbox One foi convertido em pleno para a Scorpio e ganha novas funcionalidades - surround espacial, adicionando o componente de 'altura' ao existente esquema 7.1. A Scorpio terá suporte Dolby Atmos para jogos, Dolby Atmos para headphones e um sistema proprietário da Microsoft chamado HRTF, desenvolvido pela equipa do Hololens. Uma vez que o hardware APB (bloco do processador áudio) é basicamente idêntico ao da Xbox One, significa que todas as existentes versões da consola terão a melhoria para surround espacial.

No entanto, o aspecto potencialmente mais entusiasmante na melhoria à CPU não está relacionada sequer com os blocos do processador, mas sim com o processador de comandos da GPU - a peça do hardware que recebe as instruções da CPU e as envia para o núcleo gráfico.

"Essencialmente, movemos o Direct3D 12," diz Goossen. "Construímos isso no processador de comandos da GPU e isso significa que, em todas as invocações API de alta frequência feitas nos jogos, estão todas implementadas de forma nativa na lógica do processador de comandos - e isso significa que a nossa comunicação do jogo para a GPU é super eficiente."

Processar chamadas de distância - dizendo ao hardware gráfico o que desenhar - é uma das tarefas mais importantes desempenhadas pela CPU. Pode sugar muitos dos recursos do sistema, uma cadência que tradicionalmente exige centenas - talvez dezenas de centenas - de instruções CPU. Com a delegação hardware da Scorpio, qualquer chamada pode ser executada com apenas 11 instruções, e apenas 9 para uma mudança de estado.

"É uma incrível vitória para nós e para os programadores que adoptaram o D3D12 na Xbox, disseram-nos que foram capazes de reduzir a sobrecarga de renderização CPU em metade, o que é mesmo espantoso porque agora, a porção da driver disso é mesmo uma fracção muito pequena," acrescenta Goossen.

Para esclarecer: a Project Scorpio não apresenta núcleos Ryzen, mas a equipa Xbox não está preocupada com isso. "No lado da CPU, ainda podíamos alcançar os nossos objectivos de design com as mudanças personalizadas que fizemos," diz Kevin Gammil. "Continuamos a ser um produto de consumidor. Queremos um preço de venda que incentive os consumidores a comprar isto. É um equilíbrio entre as duas coisas."

O processador Scorpio Engine mede 360mm² e contêm 7 mil milhões de transístores. Vimos os planos do chip, com os quatro motores shader a ocupar a maioria da matriz, à esquerda no esquema. Cada SE tem 11 unidades computacionais, uma por bloco está desactivada para aumentar o espaço do chip na linha de produção. À direita da GPU estão dois conjuntos de núcleos CPU personalizados, enquanto as interfaces da memória ficam no limiar do chip.

O mais recente bloco media AMD também está integrado, significando que a Xbox GameDVR recebe uma actualização para 4K60 usando o descodificador HEVC de nova geração - até podes capturar o teu conteúdo em full HDR. Também foi introduzido o que a Microsoft chamada de captura de ecrã retroactiva, significando que podes percorrer as tuas capturas fotograma a fotograma para escolher a melhor, sem precisar de pressionar o botão de imagens no exacto momento.

"Na saída do ecrã, HDMI 2.0 como seria de esperar - precisamos disso para o rácio de fotogramas adicional a 4K e também para HDR e a gama de cores mais ampla," diz Baker. "Adicionalmente, acreditamos sempre que alcançar um processamento de saída flexível com três planos para teres o teu alvo de renderização, podes sobrepor a dash a vídeo a correr. Cada uma delas tem capacidades simétricas em termos da capacidade de correr amostras, por isso temos um filtro multi-toque de alta qualidade. Por exemplo, se renderizares a 4K e estás numa TV 1080p, podes usar isso para obter uma amostra de alta qualidade."

Downsampling para 1080p é um ponto importante. Os leitores habituais do Digital Foundry sabem que defendemos que todos os modos PS4 Pro deviam estar disponíveis a todos os jogadores, independente do ecrã em que jogam. Os modos de performance deviam estar ao dispor de todos os utilizadores 4K, enquanto a renderização ultra HD devia efectuar super-sample para os ecrãs 1080p. A Microsoft torna isto obrigatório, e todos os títulos devem correr no mesmo rácio de fotogramas ou superior do que na Xbox One normal.

Construir a Scorpio: formato e arrefecimento

É velocidade da GPU que se destaca na Project Scoprio, o aspecto que define o actual pensamento no design de consolas. Hardware de actual geração apresenta frequências conservadoras para sustentar o rendimento e minimizar o calor num formato restrito. A forma como a Microsoft conseguiu isto é espantosa.

"Entre tentar alcançar um design compacto, e também uma eficiência geral e minimizar o consumo energético, fizemos muitas coisas especiais," diz Leo Del Castillo, gestor geral do design de hardware Xbox. "Uma das coisas que fizemos foi afinar as voltagens de cada um dos chips e optimizá-las para que os chips recebam o que precisam para cumprir a tarefa...Isso introduz um grau de eficiência muito maior no sistema e permite-nos remover muita da energia desperdiçada que de outra forma sairia como calor."

É o método Hovis, nome do engenheiro que o desenvolveu. Cada processador do Scorpio Engine que sai da linha de produção da TSMC terá o seu perfil de energia específico. Ao invés de adoptar uma estratégia de um tamanho para todos, a Microsoft ajusta a board para o chip. A Scorpio é uma peça de tecnologia poderosa, por isso existe na mesma o problema de dissipar o calor. Novamente, a solução é revolucionária para uma consola.

Resumindo, a Microsoft usa uma câmara de vapor. Consiste num recipiente de cobre que forma a sua base, dentro do qual está água destilada ionizada em vácuo. O calor é absorvido pela água e evapora. O vapor escapa dos pontos quentes e condensa-se nos dissipadores. É altamente eficiente - mas o calor terá na mesma de ser expelido do sistema e as ventoinhas da anterior Xbox não servem aqui.

"Optámos por um design personalizado para uma ventoinha centrífuga adaptada neste design," continua Del Castillo. "Parece uma super bateria num carro, quase parece um intercooler. Cada parte foi desenhada a preceito para esta aplicação."

Durante a apresentação, Del Castillo construiu literalmente uma unidade Scorpio de pré-produção à nossa frente. Tendo em conta as técnicas avançadas de manufacturação vistas aqui, existe um design modular muito simples, elegante, que tira o máximo proveito do espaço. Vimos como o disco rígido de encaixa nos amortecedores que absorvem vibrações, reduzindo o rácio de erros e assegurando uma passagem de dados melhorada. Depois temos a drive Blu-ray UHD - basicamente a mesma que vimos na Xbox One S, com pequenas modificações para o chassis da Scorpio.

Também é encantador ver que a Microsoft manteve uma fonte de alimentação interna: neste caso, uma PSU de 245W de voltagem universal que Del Castillo reconhece ser a mais eficiente na história da Xbox. Na traseira da consola, a posição das entradas é idêntica à da Xbox One S, incluindo a entrada de energia padrão (ao invés do esquema de cabos maior que é usado na PS4 Pro). O pensamento aqui é que os jogadores que ligaram a sua Xbox One S ao seu conjunto AV podem-na trocar pela Scorpio sem problemas. Uma vez que o esquema das entradas é baseado no da Xbox One S, não existe a entrada para o Kinect como na Xbox One original (é necessário um adaptador USB) mas a entrada HDMI permanece. O formato final - a Microsoft chama-o de ID - será revelado na E3, e acreditamos que ficarás muito surpreendido.

Forza na Scorpio: poder de sobra

As especificações são uma coisa mas a Microsoft promete que jogos Xbox One a 900p e 1080p serão capazes de correr a 4K nativa na Scorpio. Precisávamos de ver provas disto, significando que precisávamos ver jogos - algo difícil quando ainda faltam tantos meses para o lançamento.

Ainda assim, a Microsoft consentiu e apresentou-nos uma demonstração da ForzaTech com o motor Xbox One a 4K nativa e a 60fps fixos. Como podes ver na imagem em baixo, o uso da GPU é espantosamente baixo, entre 60-70% (podes ver uma imagem PNG 4K aqui) - mas temos de relembrar que isto é basicamente um port Xbox One, não representa a qualidade total que teremos num jogo final.

"Isto é ForzaTech a correr a 60 fotogramas por segundo, 4K," diz Chris Tecton, arquitecto de software na Turn10. "Ainda temos as definições que usaríamos em Forza 6....mas também inclui conteúdo 4K...temos assets personalizados para este conjunto de modelos, carros, pistas e tudo. Puxámos por isto para assegurar que as texturas 4K passam de forma fluída. Temos tudo isto nas resoluções correctas e não nos estão a exigir demasiado da lagura de banda. Se voltarmos ao estado original sem assets a 4K, era talvez 1% diferente. Tem sido fantástico e de momento está neste ponto."

A demo coloca o máximo de carros e corre com as simulações de físicas e IA completas. É um teste altamente exigente, usado para forçar os orçamentos restritos em Forza MotorSport para assegurar os 60fps pelos quais a série é conhecida. A conversão do ForzaTech para a Scorpio demorou dois dias e corria em pleno no primeiro. Na verdade, a equipa pode levar ForzaTech ao equivalente das definições ultra do PC e ainda temos 88% de uso na GPU; em termos de utilização do sistema, é o padrão para a Xbox One a 1080p nas definições padrão. Claramente temos apenas um jogo, mas a Scorpio não converte apenas os motores Xbox One para 4K. No motor Forza, existe margem, muita.

"O melhor desta história é que podemos passar todo este tempo a seguir em direcção ao futuro," diz Tector. "Ao invés de dizer, 'Como é que vamos lutar para ter a performance nisto?' estamos a dizer que podemos efectuar este compromisso na qualidade ou outro e passar esse tempo a testar, procurando uma qualidade de imagem melhor. Ao invés de stressar sobre obter uma resolução final ou um rácio de fotogramas final, podemos apostar tudo na qualidade."

Claro que, se vais mostrar um jogo na nova Xbox, escolher um dos melhores jogos visuais e optimizados nos motores first-party é a maneira ideal, contudo, a Microsoft insiste que os resultados e a escabilidade que a Turn10 nos mostrou "não é atípica". O facto de que o estúdio obteve resultados excelentes do hardware da Scorpio tão cedo talvez explique o porquê da Microsoft estar pronta para revelar o hardware aos utilizadores tão antes do lançamento. Em todas as pessoas que conhecemos existe um contagiante entusiasmo genuíno e confiança na nova consola. E o facto de que fabricante da plataforma está disposta a partilhar tanto tão cedo sugere também que a E3 2017 será memorável.

Este artigo procura apresentar-te as principais informações sobre a Project Scorpio, mas aprendemos muito, muito mais sobre a consola que será partilhado logo que possível. A Microsoft convidou o Digital Foundry para visitar a equipa da Xbox na sede em Redmon, e pagou o custo das viagens e alojamento.