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Schnelles I/O-Subsystem: Die Xbox Velocity Architecture

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xbox-series-xMicrosoft hat bereits die finalen technischen Daten der Xbox Series X genannt. Auf Seiten des Prozessors und vor allem der GPU scheint man etwas mehr Rohleistung bieten zu können, als dies bei der PlayStation 5 der Fall ist, die im Grunde auf der gleichen Hardware basiert. Aber bei Sony legte man einen großen Wert das Speicher- und I/O-Subsystem. So soll die NVMe-SSD eine Lesedatenrate von 5,5 GB/s erreichen können, zugleich soll das System aber auch komprimierte Daten mit bis zu 9 GB/s verarbeiten können.

Aber auch bei Microsoft spielt das Speicher- und I/O-Subsystem offenbar eine wichtige Rolle und so hat man dazu die Xbox Velocity Architecture ins Leben gerufen. Diese soll als Schnittstelle zwischen den Software- bzw. Spieleentwicklern und der Hardware agieren, um den Prozessor möglichst ideal auszulasten. Dynamische Open-World-Umgebungen, detailreiche Spielewelten und Charaktere sowie Next-Gen-Technologien sollen damit einfacher umzusetzen sein bzw. das Spielerlebnis verbessern.

Gegenüberstellung der Next-Gen-Konsolen
  Xbox Series X PlayStation 5
CPU 8x Zen 2
3,8 / 3,66 GHz
8x Zen 2
3,5 GHz
GPU 52 CUs Custom RDNA 2
1.825 MHz
12 TFLOPS
36 CUs Custom RDNA 2
2.230 MHz
10,28 TFLOPS
Speicher 16 GB GDDR6
320 Bit Speicherinterface
560 GB/s / 336 GB/s
16 GB GDDR6
256 Bit Speicherinterface
448 GB/s
interner Speicher 1 TB NVMe-SSD 825 GB NVMe-SSD
externer Speicher ja, via USB 3.2 ja
optisches Laufwerk ja ja

Die Xbox Velocity Architecture besteht aus vier Kernkomponenten: Der NVMe SSD, hardwarebeschleunigten Dekompressionseinheiten, einer neuen DirectStorage API und dem Sampler Feedback Streaming (SFS).

NVMe-SSD

Die in der Xbox Series X verbaute NVME-SSD mit einer Kapazität von 1 TB kommt auf eine Datenrate von 2,4 GB/s, wobei Microsoft hier sicherlich das Lesen von Daten angibt. Diese 2,4 GB/s sind im Vergleich zu aktuellen PCIe-4.0-SSDs kein besonders herausragender Wert und im Vergleich zu den 5,5 GB/s der PlayStation 5 wirkt die SSD der Xbox Series X sogar vergleichsweise langsam. Microsoft spricht allerdings davon, dass diese 2,4 GB/s kein Spitzenwert sind, sondern eine konstante Datenübertragung darstellen soll, die immer erreicht wird. Entwickler sollen sich auf die Übertragungsgeschwindigkeit verlassen können - die 2,4 GB/s sollen konstant erreicht werden.

Hardwarebeschleunigten Dekompressionseinheiten

Die Dateien der Spiele sollen möglichst stark komprimiert werden, was zum einen die Größe der Downloads reduziert, auf der anderen Seite aber auch Platz auf der SSD einspart. Hohe Kompressionsraten setzen allerdings auch voraus, dass die Daten möglichst schnell entpackt werden. Die hardwarebeschleunigten Dekompressionseinheiten der Xbox Series X unterstützen sowohl die LZ-Kompression, als auch einen propriertären Standard für Texturdaten namens BCPack, der speziell für die Xbox Series X entwickelt wurde. Microsoft geht davon aus, dass solche Daten sich im Verhältnis 2:1 komprimieren lassen. Da beide Kompressionsverfahren gleichzeitig ausgeführt werden können, spricht Microsoft von einer Datenrate von 4,8 GB/s.

Dies ist noch immer rund die Hälfte dessen, was Sony für die PlayStation 5 verspricht. Um auf ein ähnliches Niveau der Dekompression über Software zu kommen, würden vier der Zen-2-Kerne ausgelastet werden müssen. Diese Ressourcen wollte man natürlich nicht derart binden und hat sich daher für spezielle Hardwareeinheiten für die Dekompression entschieden.

DirectStorage API

Microsoft hat die Datenzugriffe auf die Daten für Spiele analysiert und daraus eine DirectStorage API entwickelt. Diese soll als Schnittstelle zwischen den eigentlichen dem Massenspeicher und den darauf befindlichen Spieledaten liegen bzw. die Zugriffe darauf für die Entwickler transparenter gestalten. Die DirectStorage API ist als Teil der DirectX API eingebettet. und ermöglicht es den Entwicklern, multiple I/O-Queues anzulegen, gewisse Daten zu priorisieren und die I/O-Latenzen zu verringern. Es handelt sich somit um eine Art Low-Level-API für Datenzugriffe.

Sampler Feedback Streaming

Das Sampler Feedback Streaming verfolgt einen Ansatz, den man in vielen Renderingtechniken sieht. Die notwendigen Daten sollen dynamischer, durch bestimmte Abhängigkeiten nachgeladen werden können, ohne dass immer der komplette Datensatz verwendet werden muss. Texturen sollen je nach Abstand zum Betrachter unterschiedlich detailreich sein. Die hohen Detailstufen werden mittels SFS aber erst dann geladen, wenn sie auch wirklich benötigt werden.

Microsoft hat die Zugriffe auf Texturedaten analysiert und ermittelt, dass nur rund 33 % der Daten für das Rendering auch wirklich benötigt werden. Die restlichen 66 % werden zwar geladen und in den Systemspeicher gepackt, werden aber gar nicht verwendet. Über das SFS sollen diese überflüssigen Daten innerhalb der Mipmaps erkannt und ausgespart werden können. Microsoft will die I/O-Datenrate damit um den Faktor 2,5 optimiert haben.

Xbox Velocity Architecture startet mit der Xbox Series X

Microsoft arbeitet bereits mit einigen Entwicklern an der Nutzung der Xbox Velocity Architecture. Auch sogenannte Middleware soll davon Gebrauch machen bzw. in den Schritten der Entwicklung eines Spiels bereits derart eingebunden werden, dass die neuen Techniken genutzt werden können. Microsoft verweist noch einmal darauf, dass es mehr als nur die Rohdaten der Hardware gibt, die eine Aussage über die Leistung einer Konsole ermöglichen. Welche Technik am Ende das bessere Spielerlebnis bieten wird, wird sich dann in einigen Monaten zeigen.