PlayStation 5 e frequenze variabili, Mark Cerny spiega come funzionano

Mark Cerny, lead system architect di PlayStation, è tornato a parlare della nuova PlayStation 5, sempre in esclusiva con Digital Foundry, elaborando un po' di più alcuni punti "controversi" emersi in seguito alla conferenza del 18 marzo. Come abbiamo visto nelle scorse settimane, uno degli aspetti più chiacchierati è senza dubbio il sistema di boost del system on chip (SoC) di PlayStation 5. È da lì che si sono (in parte) originate le polemiche sul valore dei teraflops comunicati da Sony (10,28 FLOPS) e sull'effettivo distacco dalla Xbox Series X di Microsoft (12 TFLOPS).

Durante la conferenza Cerny disse che le frequenze di clock di CPU e GPU cambiano in base a un budget di potenza legato ai limiti termici del sistema di raffreddamento. Il problema è che, a differenza di un PC, una PS5 non può (e non deve) funzionare più lentamente o velocemente di un'altra, è necessaria una "continuità prestazionale" per non complicare la vita agli sviluppatori e creare disparità tra gli utenti.

"Non abbiamo usato la reale temperatura del die", ha spiegato Cerny, "in quanto innescherebbe due tipi di variabili. Una legata alle differenze nella temperatura ambiente; la console potrebbe essere in una posizione più calda o fredda della stanza. L'altra è una variabile causata dal singolo chip custom nella console, alcuni chip scaldano di più, altri meno. Perciò anziché usare la temperatura del die, usiamo un algoritmo nel quale la frequenza dipende da un'informazione sull'attività di CPU e GPU. Ciò mantiene coerente il comportamento tra diverse PS5".

All'interno del SoC c'è infatti un'unità di gestione energetica che misura l'attività di CPU, GPU e interfaccia di memoria e capisce la natura delle operazioni che stanno svolgendo. Questa unità non valuta il consumo energetico sulla base dell'effettiva natura del SoC contenuto nella console (a causa di variabilità produttive, un chip è sempre leggermente diverso dall'altro), bensì adotta quello che Cerny definisce "modello generale". Praticamente, il tutto si basa su quella che può essere definita una simulazione standard di come il processore deve comportarsi, e la stessa simulazione è al centro di ogni PS5, in modo da assicurare un funzionamento uguale tra tutti i modelli.

"Se giocate lo stesso gioco e andate nello stesso punto del gioco, non importa quale chip custom avete e come sono i suoi transistor. Non importa se la inserite nel frigorifero o in una cassettiera, la vostra PS5 avrà le stesse frequenze di CPU e GPU di ogni altra PS5".

Un altro elemento di dibattito di queste settimane riguarda le frequenze di picco comunicate e per quanto tempo possono essere sostenute prima che si verifichi il cosiddetto "throttling", ovvero un calo delle stesse a causa di consumo e/o temperature elevate.

"La costante tempo, cioè la quantità di tempo che CPU e GPU impiegano per raggiungere una frequenza che rispecchi la loro attività, è importante per gli sviluppatori", ha spiegato Cerny. "È piuttosto breve, se il gioco sta facendo qualcosa di intensivo per alcuni frame, allora la frequenza viene ridotta. Non c'è del lag tra il momento in cui sono disponibili prestazioni extra per alcuni secondi o diversi minuti e quando il sistema riduce le frequenze; non è il mondo in cui gli sviluppatori vogliono vivere – ci siamo assicurati che PS5 sia molto reattiva alla potenza assorbita. Inoltre, gli sviluppatori hanno riscontri su quanta potenza viene usata esattamente da CPU e GPU".

Nella testa di Cerny c'è un momento cui gli sviluppatori inizieranno a ottimizzare i motori di gioco in modo differente - per raggiungere la prestazione ottimale per un determinata potenza. "La potenza gioca un ruolo quando si ottimizza. Se ottimizzate e mantenete la stessa potenza osserverete tutto il beneficio dell'ottimizzazione. Se ottimizzate e aumentate la potenza allora state perdendo prestazioni. La cosa più interessante qui è l'ottimizzazione per il consumo di energia, se potete modificare il vostro codice in modo da ottenere le stesse prestazioni assolute ma ridurre il consumo allora è una vittoria".

Sembra quindi che gli sviluppatori dovranno imparare a ottimizzare in un modo diverso, ottenendo dalla GPU risultati identici più rapidamente grazie a un clock più elevato garantito da un'ottimizzazione dei consumi. "La GPU e CPU hanno un budget di potenza, e certamente quello della GPU è il più grande dei due. Se la CPU non usa il budget a sua disposizione – per esempio se è bloccata a 3,5 GHz - allora la parte non usata del budget va alla GPU. Questo è ciò che AMD chiama SmartShift. C'è sufficiente potenza che CPU e GPU possono lavorare potenzialmente ai loro limiti di 3,5 GHz e 2,23 GHz, lo sviluppatore non è costretto a scegliere di far funzionare un'unità più lentamente".

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Il lead system architect ha poi illustrato a Digital Foundry il concetto di "race to idle", cioè corsa allo stato idle, ovvero quel livello in cui le unità hanno terminato il loro compito e cercano, il più rapidamente possibile, di entrare in stato di bassissimo consumo energetico, come se andassero in una sorta di letargo. All'interno di un meccanismo di frequenze variabili, gestire questo comportamento è fondamentale per assicurare che la console renda disponibili le massime prestazioni quando servono, senza inutili cali o picchi improvvisi.

"Immaginate di operare a 30 Hz e di usare 28 millisecondi del budget di 33 millisecondi, con la GPU che va in idle per 5 millisecondi. La logica di controllo rileverà un basso consumo e stabilirà che la frequenza debba essere aumentata. Si tratta però di aumento di frequenza inutile", ha affermato Mark Cerny. Incrementare il clock in assenza di carico di lavoro è un comportamento controproducente, definito per l'appunto "race to idle", e Sony ha lavorato per gestirlo in modo ottimale.

"Se realizzate un sistema con frequenza variabile, quello che vedrete in base a questo fenomeno - c'è un equivalente lato CPU - è che le frequenze sono solitamente ancorate al massimo! Non è però significativo; a fine di dire qualcosa di rilevante sulla frequenza della GPU, dobbiamo trovare una posizione nel gioco in cui il core grafico è completamente usato per tutti i 33,3 millisecondi di un'immagine".

"Perciò quando ho dichiarato che la GPU passerà gran parte del suo tempo vicino o alla frequenza massima, è un dato che elimina dall'equazione la corsa all'idle, con i giochi PS5 in situazioni in cui l'intero il frame è usato in modo produttivo. Lo stesso vale per la CPU, in base all'esame delle situazioni in cui è usata in modo elevato per tutto il frame, abbiamo concluso che la CPU passerà la maggior parte del suo tempo alla sua frequenza di picco".

Insomma, togliendo dall'equazione la corsa all'idle e con CPU e GPU completamente usate, le frequenze di boost di entrambe le unità dovrebbero mantenersi vicino al picco di frequenza per la maggior parte del tempo. Cerny ha aggiunto che consumo e frequenze non hanno una relazione lineare e che una riduzione delle frequenze del 10% abbassa il consumo del 27%. "In generale una riduzione del consumo del 10% riduce di pochi punti percentuali la frequenza".

"Una delle nostre scoperte è stata quella di trovare una serie di frequenze in cui l'hotspot - ovvero la densità termica della CPU e della GPU - è lo stesso. Ed è quello che abbiamo fatto. Sono ugualmente facili o difficili da raffreddare - o qualunque modo in cui tu voglia dirlo". Cerny ha infine precisato che in assenza di ottimizzazioni adeguate a sfruttare il sistema di boost, la frequenza si adatterà autonomamente alle azioni che la CPU e la GPU stanno eseguendo.