PS5三大已知特性詳細解讀：變頻、固態和3D音頻
? ? 索尼在前段時間透露了 PS5 的相關核心技術特性，詳解了這些技術的創新和優勢之處。不過由於是面向專業認識的發布會，PS5 的這些特性如今出現了多種不同的解讀。PS5 首席架構師馬克·塞爾尼（Mark Cerny）之後聯繫了知名遊戲技術分析媒體 Digital Foundry，跟他們聊了聊更多關於已經公布的這些重點技術的細節，讓我們對 PS5 的硬體有一個更加細緻的了解。
? ? 原文標題：PlayStation 5 uncovered: the Mark Cerny tech deep dive，作者：Richard Leadbetter。
? 註：因原文涉及很多專業技術細節，為達到較好的閱讀效果，本文做了大規模的編譯，儘可能簡單清晰。
變頻是為了物盡其用
? ? PS5 的 GPU 頻率讓非常多人感到吃驚。2.23GHz 的頻率是民用 PC 顯卡很難達到的超高頻率，讓大部分人都懷疑這個頻率其實並不可靠。
不過當我們仔細考慮索尼對 CPU 和 GPU 頻率的表述時，我們會發現事情可能並不簡單。
? ? 索尼給 PS5 標註的 CPU 和 GPU 的頻率皆為「極限」頻率，也就是說它的頻率會下降。從我們目前對 PC 和手機的變頻技術的了解，這不就是就因為過熱或者是將要出現過熱而導致的性能下降嗎？從以往的情況來看，我們都傾向於這一種解釋。
? ? 但這次並不一樣，PS5 的頻率下降從技術原理來講並不是因為發熱導致被迫降低，而是因為內部系統的主動調整。倘若 PS5 因為過熱出現降頻情況，那麼系統性能就處於不可靠的狀態，對開發者而言是極不友好的。
索尼當然考慮到了這點，在 AMD 的幫助下，讓 PS5 的 CPU 和 GPU 在各自的頻率區間範圍內維持整體可控的穩定表現。
? ? 一般來說，PC、手機等設備會給處理器設定溫度上限，一旦溫度超過或者超過該溫度一段時間它就會為了避免過熱而強制降低頻率。為了保持遊戲主機的整體一致性，索尼並不是通過溫度上限來限制過高的溫度，而是類似筆記本電腦的功耗上限。CPU 功耗加上 GPU 功耗總體不會超過這個上限，在這堵功耗牆之下，CPU 和 GPU 的頻率通過一個調節演算法進行變動。
由此，每一台 PS5 無論是放在冰箱還是處於普通室溫環境下，無論出廠時晶元體質是否有些微的偏差，都能有統一的性能表現。畢竟統一性能是遊戲主機的一個大前提。
? ? 筆者舉個簡單的例子。這個核心就像一個蹺蹺板，CPU 和 GPU 各在一端。索尼人為給這兩個端設定了各自的最高高度，無論兩者怎麼變，各自高度都不會超過這個最高高度。CPU 和 GPU 時上時下地變化，它們各自的最高高度的功耗就對應索尼公布的 3.5GHz 和 2.23GHz 的頻率數據。
本粗略示意圖只是為了方便理解，塞爾尼表示最低頻率也不會低到哪裡去
? ? 這種穩定總體功耗下內部功耗動態分配的技術是 AMD 為筆記本平台準備的 SmartShift（無獨有偶，英偉達近期也宣布了其筆記本平台類似技術 Dynamic Boost）。比如某些時候 CPU 性能過剩，那就會把原本分配給 CPU 的電量資源轉移給 GPU，讓它能夠獲得更高的頻率，反之亦然。
索尼表示用於處理這個電能分配任務的晶元集成在處理核心當中。這顆晶元的靈敏度極高，一絲一毫的能耗變化都能夠立刻偵測並做出響應。畢竟對於 PS5 這個系統而言，CPU 和 GPU 在某時刻的功耗對於開發者是非常重要的數據。
? ? 為什麼這麼說呢？雖然 PS5 是一個整體穩定的系統，但其內部的動態性能和傳統主機，以及對手機型 Xbox Series X 的固定性能都不同，這就需要遊戲開發者針對這種動態性能採取與以往不同的優化策略。
塞爾尼說：「這裡最有趣的地方就是對功耗的優化。如果你能修改代碼讓同樣幀數表現發生在更低的功耗下，那麼這就是一種成功的優化。」也就是說，開發者需要通過對功耗的優化來讓性能變強，從而獲得更理想的結果。功耗和頻率的關係是非線性的，「通常情況下，比如降低 10% 的功耗只會讓頻率下滑幾個百分點（而不是也跟著下降 10%）。」
? ? 既然系統頻率在變，那麼為什麼索尼聲稱 CPU 或是 GPU 在絕大部分時間內能保持或者接近極限頻率呢？塞爾尼對此的解釋是加上了稱為「閑置競爭」（race to idle）的現象。
他舉了個例子，比如遊戲運行在 30 幀的情況，平均下來每一幀畫面有 33 毫秒的渲染時間，但 GPU 只用了 28 毫秒就完成了工作，那麼剩餘的 5 毫秒就是無事可干，處於乾等垂直同步的狀態，這就叫「閑置競爭」。他表示在這 5 毫秒也維持高頻率是沒有什麼意義的，或許意味著實際遊戲中這 5 毫秒 GPU 頻率可能會下降。
但為了給 GPU 頻率一個說法，於是把「閑置競爭」這個情況加上，也就成了「絕大多數時間維持在極限或者接近極限的頻率」。CPU 也同樣如此。
? ? 這種變頻聽起來還是比較複雜，會不會讓遊戲開發者優化起來很困難？塞爾尼表示團隊的一個突破就是找出了一系列讓 CPU 和 GPU 能量密度保持一致的頻率，將這些頻率轉換為鎖定的性能描述，放入開發套件當中。開發者根據這些頻率數據著重優化，無需面對複雜的變動頻率。
? ? 向下兼容在這種系統下大概是如何實現的呢？我們可以回顧一下 PS4 Pro 為了兼容 PS4 的設計思路 —— 「蝴蝶架構」。把 PS4 的 CU 單元數量翻倍，頻率略微提升，CPU 仍舊是八核 Jaguar，只是頻率提升了一點。運行 PS4 遊戲的時候只要關閉一半 CU 單元再略作調整即可。
PS5 的 GPU 也是類似處理，CU 單元數量與 PS4 Pro 一致。從此前的泄露數據來看，這顆 GPU 兼容在兼容時會根據 PS4 Pro 和 PS4 各自情況調整運行模式，使其接近原始運行環境，降低兼容難度。
? ? 不過這次 PS5 的 CPU 變化很大，採用了最新的 Zen 2 架構，可能會給兼容帶來額外難度。「所有為 Jaguar 開發的遊戲理論上在 Zen 2 下都能正常工作，但是指令執行時間（the timing of execution of instructions）基本不一樣。我們與 AMD 定製了我們的 Zen 2 核心，為他們添加了不同運行模式，使其能接近 Jaguar 的執行時間。」
塞爾尼表示團隊仍在研發向下兼容功能。另外，索尼曾表示兼容遊戲支持強化，這個強化效果究竟如何還有待實機測試。
當初泄露的測試數據，Gen2模式的內存帶寬現在已經確認為448GB/s
下一頁：更多內容
沉浸感的提升離不開固態硬碟
? ? 次世代索尼和微軟都依據開發者的反饋選擇了固態硬碟作為主存儲介質，而且都各自做了自己的定製化設計。PS5 的 SSD 吞吐量達到了 5.5GB/s，已經超出了大部分固態硬碟的速度，這毫無疑問是非常值得驕傲的成績。那麼硬碟的高速除了給我們帶來載入速度的提升，還給我們帶來了什麼呢？
? ? PS5 的數據傳輸調動了很多部件協同運作，比如 I/O 處理器、凝聚引擎、DMA 控制器等等，機制比較複雜。不過索尼給開發者準備了底層和高層的訪問能力供開發者自行選擇。底層有一個新的 I/O API 能讓開發者輕鬆使用它的極限速度，門檻低，很友好。
? ? PS5 的文件索引不再是傳統的「文件名 路徑」這種方式，而是改成只基於 ID 的存儲系統，讓文件查找更加迅速。幾毫秒的延遲就能夠找到需要的文件並傳輸，這些發生在一幀的處理時間內，即便是最壞情況頂多下一幀也能完成。要是這放到機械硬碟里，這個過程會持續 250 毫秒之多。
? ? 塞爾尼舉了個例子。比如一個敵人死亡時發出喊叫，即便將這個聲音播放請求在此時置為首要任務，仍然很可能還是要花費 250 毫秒，那麼產生的聲音延遲會導致沉浸感下滑。類似場景下就需要迅速響應降低延遲。PS5 的 SSD 將顯著改善這種問題。
開發者無需關心這些實現技術，調用介面即可
聲音維度的世代進化
? ? 聲音是次世代的一個提升重點。索尼在 PS5 上耗費了大量心血和精力來提升聲音維度的沉浸感。
主要的變化有兩個方面，一個是 PS5 支持數百個 3D 音源，數百個空間音源支持自不必說，能更好地模擬現實生活中的環境音源。音源有了，那麼聲音又該如何模擬出從空間里的某個坐標位置傳遞至耳朵的效果呢？這就需要第二個變化點，使用 HRTF（Head Related Transfer Function，頭部相關傳遞函數）。
? ? HRTF 的相關技術涉及到的知識非常專業和廣泛。我們只需要知道它是一個基於以人頭為坐標原點的球坐標系、人的頭部結構數據、聲音頻率等信息的一種函數，將虛擬空間中的音源所發出的聲音近乎準確地分別傳入左耳和右耳。
? ? HRTF 的效果非常出色，但要達到最理想的效果需要針對使用者自身的頭部數據進行定製。每個玩家都定製自己的 HRTF 顯然不現實。索尼的做法是首發時提供五種不同的 HRTF 效果，由玩家自己在這五種里選擇最適合自己的那一個。
當然這只是目前的處理方式，塞爾尼表示這是一個開放性的研究話題，也許未來玩家可以給索尼發送自己的頭部數據，比如照片、視頻等，來給自己做個定製化。
可以看到馬克·塞爾尼自己定製的HRTF圖像與默認的不太一樣
? ? 對以上這兩點進行處理的，就是一個名為「Tempest」的引擎。與 PS4 通過 CPU 來處理音頻的方式不同，Tempest 是一枚單獨的晶元，基於 AMD GPU 的一個 CU （計算單元）改造而來，可以認為是 GPU 的變種。由於其本身原理非常類似一個連續的整體，所以內部無任何緩存就可實現設計目標。
? ? 團隊之所以採用 GPU 類型的晶元是因為 GPU 本身就是專為多線程任務打造。「GPU 能處理成百上千個 Wavefront（AMD GPU 的線程組被稱為 Wavefront ），Tempest 支持兩個 Wavefront。一個是針對 3D 音頻和其他系統設計功能，一個是針對遊戲。」
不過由於更多的聲音和相關數據要處理，Tempest 佔用帶寬會超過 20GB/s。這不是一個小數字，所以需要開發者注意 Tempest 帶寬佔用情況，倘若過高會產生不良影響。
? ? 此外 Tempest 與另一個名為 Ambisonics 的音頻技術兼容，後者如今支持 PS4 和 PSVR。塞爾尼表示二者可以混合使用，比如一個非常重要的聲音可以採用 Tempest 進行處理，而主要的場景環境音可以用 Ambisonics 處理，將二者的優勢都最大化來達到滿意的效果。
? ? 不過 3D 音頻在首發時暫時不支持所有種類的音頻設備，索尼選擇的是按照設備保有量先後進行適配。標準耳機是首發時即支持的設備，目前索尼正在處理電視揚聲器的優化，5.1 和 7.1 音響系統需要等電視揚聲器優化完畢後再著手進行處理。略有遺憾的是，對於後兩者索尼沒有給出大致的支持時間。
? ? 雖然很多具體技術細節公布了，但 PS5 硬體本身仍留有很多疑問。畢竟目前我們所知道的僅有一個在老版本開發機上跑的《蜘蛛俠》載入時間 Demo 、兩篇《連線》雜誌的採訪、一個 Logo 、未完全展示的手柄，和一個技術向 PPT。
? ? 也就是說我們到現在連 PS5 一個實際渲染遊戲像素點的信息我們都不知道。當年 PS4 首次公開時就帶來了《殺戮地帶 暗影墜落》的 Demo 演示，世代更迭的提升一目了然，實機遊戲永遠是最好的說服力。另外還有一點，索尼稱 PS5 的 GPU 為 RDNA 2 架構，但近期該架構公布的一些關鍵技術，比如可變速率著色，PS5 沒出現在支持名單上，這不免讓人有些疑問。主機外觀和散熱系統也同樣讓人非常好奇。
? ? 所有疑問，只能等待索尼進一步的信息公布了。
