نگاهی نزدیک‌تر به فناوری ذخیره سازی ایکس باکس سری ایکس

هنگامی که تصمیم گرفتیم ایکس باکس سری ایکس را طراحی کنیم، آرزو می‌کردیم قدرتمندترین کنسولی را که تاکنون با نوآوری های نسل بعدی ساخته شده بسازیم و راندمانی را عرضه کنیم که قبلاً در هیچ کنسولی بدون فدا کردن برخی جنبه‌ها دیده نشده است. برای نیل به این هدف، می‌دانستیم که نیاز به تجزیه و تحلیلِ هر یک از بخش‌های سیستم داریم تا بتوانیم از محدود‌ه‌ی راندمان و طراحیِ کنسول‌های سنتی فراتر رویم. این امر در طراحی ایکس باکس سری ایکس بسیار مهم بود تا اطمینان حاصل کنیم که از نهایتِ تعادل قدرت، سرعت و کارایی بالاتری برخوردار خواهیم بود، در عین این که هیچ قطعه‌ای مانع از خلاقیتِ جاه‌طلبانه‌ی بهترین سازندگان دنیا نخواهد شد و به آنها این امکان را خواهد داد که تجربه‌های متحول‌کننده‌ی نسل بعدی را که در نسل کنونی امکان‌پذیر نیست، تحقق بخشند.

در قلب ایکس باکس سری ایکس پردازنده‌ی سفارشی ما قرار دارد که از آخرین معماری‌های RDNA 2 و Zen 2 ساخت شرکای ما در شرکت ای‌ام‌دی بهره گرفته تا بتواند بهترین پردازنده‌ی نسل بعدی در کلاس خود را ارائه کند که بیش از ۱۲ ترافلاپس توان گرافیکی و بیش از ۴ برابر توان پردازشی بیشتر نسبت به ایکس باکس وان ایکس در اختیار می‌گذارد. همچنین ایکس باکس سری ایکس دارای بالاترین پهنای باند حافظه در بین تمام کنسول‌های نسل بعدی با ۱۶ گیگابایت حافظه‌ی GDDR6 است که شامل ۱۰ گیگابایت حافظه‌ی بهینه شده برای GPU در ۵۶۰ گیگابایت بر ثانیه، برای تغذیه‌ی پردازنده به دور از هرگونه گلوگاه می‌شود.

با تجزیه و تحلیل زیرسیستمِ ذخیره‌سازی هم مشخص شد که ما به بالاترین حدِ فناوری هارددرایوهای سنتی رسیده‌ایم و برای دستیابی به اهداف طراحی خود، نیاز خواهیم داشت که در مورد ذخیره‌ساز Xbox Series X به طور جدی تجدید نظر کرده و رویکرد خود را در این مورد متحول کنیم.

بازی‌های جدید به میزان قابل توجهی از داده‌ها برای ایجاد دنیاهای واقع‌گرایانه‌ای که گیمرها تجربه می‌کنند نیاز دارند. برای اینکه پردازنده قادر به کار در راندمانِ بهینه‌اش باشد، همه‌ی این داده‌ها باید از ذخیره‌ساز به حافظه‌ی اصلی بارگذاری شوند. رشدِ انفجارگونه‌ی محیط‌های پویای جهان بازِ و دنیاهای پایدار و زنده با تراکم و تنوع فزاینده، فقط باعث افزایش داده‌های مورد نیاز شده است. از داده‌های Mesh محیطی گرفته تا مدل‌های کاراکتری با چند‌ضلعی‌های زیاد، بافت‌های کیفیت بالا، داده‌های انیمیشن و صدا و همین‌طور فایل‌های منبع ویدیویی و بیش از این‌ها، همگی با هم ترکیب می‌شوند تا کامل‌ترین تجربه از محیطِ گیم‌پلی را برای بازیکن فرآهم کنند.

با وجود توانایی موتورهای مدرنِ بازی و میان‌افزارها در استریمِ متعلقات بازی از ذخیره‌ساز محلی به حافظه، هنوز هم اغلب نیاز است که طراحان مراحل، مسیرهای باریک، راهروها و آسانسورهایی را ایجاد کنند تا راه حلی برای عبور از محدودیت‌های هارددرایوهای سنتی و گذرگاهِ ورودی/خروجی باشند. این عناصر درون بازی اغلب برای پوشش دادن نیاز به خارج کردن متعلقاتِ مناطق قبلی از حافظه، در عینِ بارگذاری متعلقات یا asset-های جدید برای فضای بعدی در بازیِ است. همان‌‌گونه که در مورد خواسته‌های توسعه‌دهندگان برای عناوینِ نسل بعدی و محدودیت‌های فناوریِ نسل کنونی توضیح دادیم، این چالش به شکل تصاعدی افزایش خواهد یافت و بیش از پیش متحول شدن بازی‌ها را محدود خواهد کرد. این بازخورد طراحی و توسعه‌ی معماری Xbox Velocity را تحت تاثیر قرار داد.

این معماری به عنوان یک راهکار نهایی برای استریمِ متعلقات بازی در نسل بعدی طراحی شد. این نوآوری رادیکال در زیرسیستم ورودی/خروجی به طور مستقیم تمام جنبه‌های طراحی ایکس باکس سری ایکس را متاثر ساخت. اگر پردازنده‌ی اختصاصی ما قلب ایکس باکس سری ایکس فرض شود، ایکس باکس ولوسیتی روح آن است. به خاطر یکپارچگی عمیق سخت‌افزار و نوآوری‌های نرم‌افزای، معماری ایکس باکس ولوسیتی تجربه‌ی بازیی‌های نسل بعدی را شکل خواهد داد که شبیه هیچ چیزی که قبلا دیده‌اید نیست.

ایکس باکس ولوسیتی شامل ۴ جزء عمده است: درایو اختصاصی SSD با استاندارد NVMe، بلاک‌های غیرفشرده‌سازی با شتاب‌دهنده‌های سخت‌افزاری، یک لایه واسط برنامه‌نویسی یا API کاملا جدید به نام DirectStorage و سرانجام Sampler Feedback Streaming یا به اختصار SFS.

• درایو NVMe SSD سفارشی: زیربنای معماری ایکس باکس ولوسیتی، درایو اختصاصی یک ترابایتی SSD از نوع NVMe است که قادر به ارائه‌ی توان خام عملیاتی ورودی/خروجی ۲.۴ گیگابایت بر ثانیه است که بیش از ۴۰ برابر توانِ Xbox One برآورد می‌شود. SSD-های رایجی که در پی‌سی‌ها استفاده می‌شوند، اغلب با افزایش دما یا در هنگام پاکسازی درایو، راندمان را کاهش می‌دهند. اما SSD اختصاصی در ایکس باکس سری ایکس به جای حداکثر راندمان، برای راندمان پایدار و ثابت ساخته شده است. توسعه‌دهندگان سطح تضمین شده‌ای از راندمان I/O را در تمامِ مواقع در اختیار خواهند داشت و بنابراین آنها می‌توانند با اطمینان بازی‌های خود را طراحی و بهینه‌سازی کنند و موانع و محدودیت‌هایی را که امروزه با آنها سر و کار دارند، حذف کنند. سطحی مشابه از راندمانِ پایدار و مطمئن، کارت‌های توسعه‌ی ذخیره‌ساز سی‌گیت را نیز در برمی‌گیرد و دقیقا همان تجربه‌‌ی گیم پلی را بدون در نظر گرفتن این که بازی در کدام ذخیره‌ساز قرار گرفته، برای کاربر تضمین می‌کند.
• غیرفشرده سازی شتاب داده شده با سخت‌افزار: بسته‌های بازی و asset-ها برای کاستن از زمان دانلود از طریق اینترنت و میزان فضایی که برای هر بازی روی ذخیره‌ساز نیاز است فشرده می‌شوند. با پشتیبانی شتاب‌دهنده‌ی سخت‌افزاری از استادارد صنعتی LZ به همراه الگوریتم سفارشی جدیدی به نام BCPack که اختصاصا برای داده‌های بافت طراحی شده، ایکس باکس سری ایکس بهترین شرایط ممکن در کاستن از فضای ذخیره‌سازی بدون افت کیفیت یا راندمان را برای توسعه‌دهندگان فرآهم می‌کند. از آنجایی که داده‌های بافت، بخش عمده‌ای از اندازه‌ی کلی بازی را تشکیل می‌دهند و با بهره‌گیری از الگوریتم ساخته‌ شده‌ی مذکور و بهینه شده برای داده‌های بافت که به عنوان مکملی برای الگوریتم چند منظوره‌ی LZ استفاده می‌شود، هر دو را می‌توان به طور موازی برای کاهش حجم کلی اندازه‌ی بازی استفاده کرد. با فرض نسبت فشرده‌سازی ۲ به ۱، ایکس باکس سری ایکس راندمان موثرِ ۴.۸ گیگابایت بر ثانیه در عملیات ورودی/خروجی را ارائه خواهد کرد که تقریبا ۱۰۰ برابر بیشتر از راندمان I/O در کنسول‌های نسل کنونی است. برای داشتن سطحی مشابه از راندمان غیرفشرده‌سازی در نرم‌افزار، به بیش از ۴ هسته‌ی مبتنی بر معماری Zen 2 نیاز بود.
• SFS) Sampler Feedback Streaming): یک ابداع کاملا جدید که بالاتر از تمام پیشرفت‌های دیگرِ ایکس باکس ولوسیتی ساخته شده است. بافت‌های بازی در سطوح کیفی و رزولوشنِ متفاوتی بهینه شده‌اند که mipmap گفته می‌شود و می‌توانند در خلال رندرِ صحنه‌های بازی، بر اساس این که شیء چقدر به بازیکن نزدیک یا دور است استفاده شوند. اگر یک شیء به بازیکن نزدیک‌تر شود، رزولوشن یا دقتِ بافت باید افزایش یابد تا جزئیات و جلوه‌های بصری دقیقی را که بازیکن انتظار دارد به نمایش گذارد. با این حال mip-های بزرگتر در مقایسه با نمونه‌های با رزولوشن پایین‌تر، به مقدار حافظه‌ی قابل توجهی هم نیاز دارند. امروزه توسعه‌دهندگان مجبورند تمام سطوح mip را به حافظه بارگذاری کنند، حتی در صورتی که فقط بخش کوچکی از بافتِ کلی نمونه‌سازی شود. ما با استفاده از سخت‌افزار ویژه‌ی اضافه شده به ایکس باکس وان ایکس، قادر به تجزیه و تحلیل میزان استفاده از حافظه‌ی بافت توسط GPU بودیم و دریافتیم که GPU اغلب تنها به کمتر از یک سوم از داده‌های بافتی که نیاز است در حافظه بارگذاری شده باشند دسترسی پیدا می‌کند. یک تک صحنه اغلب شامل هزاران بافتِ متفاوت است که به واسطه‌ی عدم استفاده‌ی مناسب، به از دست رفتن بخش قابل توجهی از حافظه‌ی موثر و پهنای باند I/O منجر می‌شود. با این بینش، ما توانستیم که قابلیت‌های جدیدی را برای ایکس باکس سری ایکس ساخته و اضافه کنیم که به آن امکان می‌دهد فقط قسمت‌هایی از سطوح mip را به صورت آنی و فقط در زمانی که GPU به داده‌های آن نیاز دارد در حافظه بارگذاری کند. این ابداع منجر به ۲.۵ برابر متوسطِ بهبود در کارایی توان عملیاتی ورودی/خروجی و استفاده از حافظه بالاتر و فراتر از توانایی‌های خام سخت‌افزاری می‌شود. SFS ضریب موثری از حافظه‌ی آزاد سیستم و پهنای باند I/O را فرآهم می‌کند که در نتیجه‌ی آن، حافظه و توانِ ورودی/خروجی بیشتری برای غنی‌تر کردن بازی‌ها در دسترس خواهد بود.

به جهت افزایش چشمگیر در توان I/O، غیرفشرده‌سازیِ شتاب داده شده با سخت‌افزار، DirectStorage و افزایش قابل توجه در بهینگی ایجاد شده توسط Sampler Feedback Streaming، معماری ایکس باکس ولوسیتی، ایکس باکس سری ایکس را قادر به ارائه‌ی راندمان موثری فراتر از مشخصات سخت‌افزاریِ‌ صرف می‌کند و دسترسی مستقیم، آنی و سطح پایین به بیش از ۱۰۰ گیگابایت از داده‌های بازیِ ذخیره شده روی SSD را فقط در زمانی که بازی به آن احتیاج دارد فرآهم می‌کند.