PlayStation 5, Sony ha svelato le specifiche tecniche ufficiali

Sony ha finalmente svelato tutti i dettagli tecnici di Playstation 5. Mark Cerny, lead system architect, ha iniziato la sua presentazione parlando del passato di PlayStation. Si è detto molto orgoglioso di PS3, in particolare, ma con PS5 l'azienda ha applicato un approccio differente. Innanzitutto, si sono ascoltati gli sviluppatori, in modo da soddisfare tutte le loro esigenze. Con PS5 le maggiori attenzioni sono state riposte sulla GPU, nettamente più potente ma al tempo stesso facile da programmare.

Cerny si è concentrato sulle modifiche architetturali che si sono rese necessarie per supportare il nuovo SSD e il maggiore bandwidth messo a disposizione, che ha richiesto lo sviluppo di un controller apposito, e sul nuovo Tempest Audio Engine, che permetterà di gestire un audio posizionale con caratteristiche per certi versi inedite nel mondo dei videogiochi sfruttando le tecniche di ray tracing. Ma vediamo quali sono le specifiche di CPU e GPU di PlayStation 5 prima di addentrarci negli altri discorsi.

Specifiche tecniche

CPU e GPU

Come Xbox Series X, anche PS5 ha un SoC formato da una CPU e una GPU. La CPU è basata sull'architettura Zen 2 di AMD, sotto forma di 8 core fisici con SMT per un totale di 16 thread. La frequenza, variabile, può arrivare fino a 3,5 GHz. Secondo Cerny siamo di fronte a una frequenza massima e "tipica", ossia sarà mantenuta per la maggior parte del tempo, ma in determinate condizioni limite potrebbe scendere.

La versione custom della GPU AMD RDNA 2 a bordo di PlayStation 5 conta su 36 Compute Unit (CU) che operano alla frequenza massima di 2,23 GHz, il che si traduce in una prestazione massima teorica di 10,28 TFLOP/s. Si tratta quindi di specifiche leggermente inferiori rispetto a quelle annunciate da Microsoft per Xbox Series X (ovvero 52 Compute Unit e 12 TFLOP/s). Allo stesso tempo, è importante ricordare che le prestazioni di un'unità di calcolo RDNA 2 superino di gran lunga quelle di una CU di PS4 o PS4 Pro, basate su un'architettura precedente.

Infatti, la densità di transistor di un'unità di elaborazione RDNA 2 è superiore del 62% rispetto a una CU di PS4, il che significa, in termini di numero di transistor, che l'insieme delle 36 CU di PlayStation 5 equivale a 58 CU di PlayStation 4. Inoltre, le CU di PS5 operano a una frequenza di clock maggiore, sia rispetto alle CU di PS4 sia rispetto alle CU di Xbox Series X.

Una differenza importante rispetto alla passata generazione riguarda il fatto che le frequenze di clock di CPU e GPU variano in base a un budget di potenza legato ai limiti termici del sistema di raffreddamento. In che senso? Anche se di primo acchito sembra che le prestazioni di PS5 siano legate direttamente al margine termico, non è così. Sony è stata molto chiara: tutte le PS5 processano gli stessi carichi di lavoro allo stesso livello prestazionale in qualsiasi ambiente, non importa quale sia la temperatura esterna.

"È un paradigma totalmente differente. Anziché funzionare a una frequenza costante e lasciare il consumo variare in base al carico, lavoriamo essenzialmente a un consumo costante e lasciamo che la frequenza vari in base al carico", ha spiegato Cerny. Il tutto si fonda sui dati di funzionamento dell'hardware registrati da un sistema di monitoraggio termico interno. Il sistema analizza i carichi su CPU e GPU e regola le frequenze di conseguenza.

In PS5, il sistema di monitoraggio interno analizza i carichi di lavoro di CPU e GPU e imposta di conseguenza le frequenze di clock. Piuttosto che regolarsi sulla base delle temperature riscontrate sul die, osserva le attività che GPU e CPU stanno svolgendo e imposta le frequenze su tale base di dati, "il che rende tutto più deterministico e ripetibile" ha detto Cerny nella presentazione. Questo sistema, in abbinamento alla tecnologia SmartShift di AMD, consente a PS5 di ottimizzare il funzionamento di CPU e GPU e assegnare loro carichi di lavoro paralleli quando scarsamente usate in modo che "possano spremere qualche pixel in più".

È un'idea molto affascinante, e non è chiaro se possa essere replicata anche su Xbox Series X. Gli sviluppatori probabilmente dovranno essere consapevoli dei potenziali picchi di consumo di energia che il sistema provocherà, perché potrebbero influire su frequenze di clock e prestazioni. Tuttavia, allo stesso tempo, in certi scenari Sony potrebbe essere così in grado di sfruttare al meglio la GPU, portandola a funzionare a frequenze di clock molto alte ed estrarre più performance rispetto a un'unità di calcolo RDNA 2 tradizionale.

Da un certo punto di vista è un approccio opposto rispetto a quello di Microsoft con Xbox Series X: Redmond sta puntando sul numero di CU mentre Sony è tornata al vecchio approccio che vede la frequenza di clock al comando. "Le prestazioni in termini di TFLOP/s riguardano la capacità computazionale della ALU vettoriale" ha spiegato Cerny durante la presentazione. "Questa è solo una parte della GPU, ci sono molte altre unità, e quelle altre unità funzionano più velocemente quando la frequenza della GPU è più alta". In altri termini Cerny vuole dire che una GPU più piccola può funzionare in modo ottimizzato e più agile.

Tornando alle ottimizzazioni architetturali, un nuovo blocco noto come Geometry Engine offrirà agli sviluppatori un controllo senza pari su triangoli e altre primitive e una facile ottimizzazione per l'abbattimento della geometria. La funzionalità si estende alla creazione di "shader primitivi" che sembrano molto simili agli shader mesh dell'architettura Nvidia Turing e delle prossime GPU RDNA 2 di AMD. 

Infine, anche se Cerny non ha parlato di tecnologie come il supporto al machine learning o il variable rate shading, è bene sottolineare che PS5 supporta l'accelerazione hardware del ray tracing tramite quello che ha chiamato "Intersection Engine" all'interno della GPU.

SSD

Questo aspetto è molto importante nella nuova generazione. Cerny ha mostrato delle tabelle che evidenziano come il bandwidth dell'hard disk di PS4 fosse limitato tra i 50 MB/s e i 100 MB/s (a seconda se i dati si trovavano nella parte interna o esterna del disco) in lettura, mentre con l'SSD di PS5 arriviamo fino a 5,5 GB/s grazie a 12 canali interni e quattro linee PCIe 4.0 che lo collegano al SoC centrale. Grazie ad alcuni accorgimenti di cui parliamo in seguito, il bandwidth effettivo raggiunge 8-9 GB/s nel sistema.

Si tratta di un bandwidth superiore rispetto a quello messo a disposizione dalle unità PCIe 3.0 su interfaccia M.2 per PC (3,5 GB/s) e inferiore alle future unità PCIe 4.0 con bandwidth di 7 GB/s, e leggermente superiore ai modelli M.2 PCIe 4.0 attuali.

Il tempo di accesso all'unità sarà istantaneo, contro i 2-50 millesimi di secondo del disco meccanico di PS4. Queste limitazioni si traducevano in compromessi per gli sviluppatori dei videogiochi, come ha spiegato Cerny. Un livello di gioco necessita di frequenti accessi al disco per caricare texture e modelli poligonali: se non sono sufficientemente rapidi lo sviluppatore è costretto a fermare l'esperienza di gioco, per concedere "respiro" all'hardware, ad esempio bloccando il giocatore in un ascensore mentre i contenuti vengono caricati.

In PlayStation 4, quindi, i dati memorizzati sul disco danno la sensazione di essere lontani e difficili da usare. Per certi scopi di gioco è necessario depositare questi dati negli 8GB di memoria RAM di tipo GDDR5 che equipaggiano PS4. Cerny ha detto che in tale memoria gli sviluppatori devono depositare i dati necessari per i successivi 30 secondi di gameplay. Su PS5, invece, l'SSD potrà essere inteso quasi alla stregua della RAM in termini di latenze d'accesso e bandwidth. Questo vorrà dire che nella RAM sarà necessario caricare solo i dati necessari per un secondo di gameplay. Su PS5 trovano spazio ben 16 GB di memoria di tipo GDDR6.

Secondo Cerny, tutto questo si traduce in tempi di caricamento più bassi e assenza di schermate di caricamento da un livello all'altro. Inoltre, consente agli sviluppatori di essere più liberi nella progettazione di livelli di gioco, con meno ascensori e lunghi corridoi inutili ai fini del gameplay. Poiché ci possono essere altri colli di bottiglia tra il codice sorgente del gioco e l'SSD, Sony ha lavorato molto sul controller per gestire in modo ottimale lo spostamento tra contenuti sul disco e memoria di sistema. PS4 usa il formato di compressione conosciuto come zlib, mentre PS5 userà Kraken, un formato di compressione realizzato da RAD Game Tools più efficace del precedente del 10%. Questo si traduce nella possibilità di poter immagazzinare sul disco Blu-Ray o sull'SSD il 10% in più dei contenuti di gioco, il che non è trascurabile dal punto di vista di uno sviluppatore. Kraken è ormai lo standard dell'industria dei videogiochi.

Tra il controller e la memoria di sistema poi è stata inserita una Custom I/O Unit dotata di un controller DMA (Dedicated DMA Controller) con una potenza pari a due core Zen 2, che ha l'obiettivo di rimuovere i colli di bottiglia e mandare subito tutti i contenuti pronti sul disco alla memoria di sistema. All'interno dell'unità di I/O troviamo anche due co-processori dedicati al processo delle operazioni di input e output, uno dedicato espressamente all'SSD, l'altro alla memoria per i lavori di mappatura e rimappatura di cui hanno bisogno gli sviluppatori.

Dei motori di coerenza, poi, assistono i co-processori: fondamentalmente si assicurano di far arrivare alla GPU i dati solo nel momento in cui servono effettivamente alla GPU. Gli sviluppatori non devono preoccuparsi di nessuna di queste operazioni, ma solo comprimere i dati e indicare quali informazioni desiderano vengano decompresse. L'intero processo di caricamento dal disco alla memoria di sistema si verifica in maniera invisibile agli occhi dello sviluppatore.

Archiviazione esterna

Questo è un tema trattato al momento in modo troppo sbrigativo da Sony. Oltre alla possibilità di collegare hard disk o SSD esterni alle porte USB, l'ampliamento dello storage interno sarà possibile tramite SSD NVMe PCIe 4.0 concepiti per i PC. Il problema è che al momento gli SSD sul mercato non sono né veloci abbastanza per tenere testa alla soluzione interna, né convalidati da Sony per il funzionamento sulla console.

Mark Cerny ha parlato inoltre di un alloggiamento creato in PS5 per le unità M.2 e del fatto che molti SSD PCIe 4.0 attuali hanno grandi dissipatori di calore che potrebbero non favorirne l'inserimento in tali slot. Bisognerà quindi attendere l'arrivo sul mercato di nuovi SSD NVMe PCIe 4.0 più veloci e sperare che i produttori li sottopongano al sistema di certificazione di Sony, ma anche di capire com'è sarà fatto l'alloggiamento.

Tempest Audio Engine

Non solo grafica di nuova generazione per la Playstation 5, ma anche un comparto audio di primo livello, perché i giochi non si guardano e basta, ma si sentono anche. Mark Cerny, durante la sua conferenza, si è rammaricato della scarsa attenzione degli sviluppatori in merito, soprattutto con l'attuale generazione.

Cerny ha lodato il processore Cell installato sulla PS3, che con le sue SPU gestiva al meglio l'audio, ma anche il visore Playstation VR, capace con la sua unità audio di supportare decentemente circa 50 fonti sonore. Con PS5 Sony vuole cambiare le regole del gioco e per farlo ha messo a punto un chip audio custom chiamato Tempest Engine con supporto a centinaia di sorgenti audio, riprodotte ad altissima qualità.

Il Tempest Engine, più precisamente, non è altro che una Compute Unit di una GPU AMD riprogettata, a cui è stata è stata rimossa la cache lasciando solo i trasferimenti DMA, proprio come una SPU di PS3, e la possibilità di sfruttare le unità vettoriali della Compute Unit. Secondo Mark Cerny il chip garantisce la stessa potenza SIMD e larghezza di banda di tutti gli otto core Jaguar della PS4 messi insieme.

Le capacità di Tempest Engine si basano sui concetti di presenza e località. Mentre la pioggia riprodotta nei giochi attuali non è altro che un suono unico e poco complesso, grazie al Tempest Engine la nuova PS5 riuscirà a riprodurre tutte le sfumature: sarà come essere nel mezzo dell'acquazzone, grazie alla simulazione del suono delle singole gocce a contatto con l'ambiente circostante.

Il chip audio custom sarà inoltre capace di tracciare con precisione dove si trovano gli oggetti. Per simulare in modo accurato il posizionamento, Sony ha dovuto generare una tabella di valori chiamata Head-related Transfer Function (HRTF), ovvero una funzione di trasferimento correlata alla testa, nota anche come funzione di trasferimento anatomico. Si tratta sostanzialmente di una risposta che contraddistingue il modo in cui un orecchio riceve un suono da un punto nello spazio.

Tale tabella, per avere un risultato migliore, dovrebbe essere generata individualmente, ma poiché non è possibile farlo al momento, Sony l'ha creata sulla base alla fisiologia di testa e orecchie di un centinaio di persone, in modo da arrivare a cinque impostazioni, tra cui gli utenti sceglieranno in fase di configurazione. In breve, il Tempest Engine nasce per rivoluzione l'audio di gioco e anche se per goderne appieno saranno certamente necessari prodotti audio di fascia alta, Sony ritiene che un paio di cuffie di buona qualità garantirà comunque un'esperienza mai "sentita prima".

Retrocompatibilità

Cerny ha affermato che i test dell'azienda sulla retrocompatibilità hanno prodotto risultati "eccellenti". Inoltre, "di recente abbiamo provato i primi 100 titoli di PlayStation 4 classificati in base al tempo di gioco e ci aspettiamo che quasi tutti siano giocabili al lancio su PlayStation 5".

Durante la presentazione, Cerny ha mostrato una slide che evidenzia tre modalità di esecuzione su PS5: "Native Mode" per i giochi sviluppati nativamente per PlayStation 5; "Pro Legacy Mode" per i titoli originariamente ottimizzati per PS4 Pro e "PS4 Legacy Mode" per quelli che non beneficiano dell'ottimizzazione per PS4 Pro. Sembra che solo questi titoli siano tenuti in considerazione per la retrocompatibilità. In passato Sony aveva detto che PS5 garantirà la retrocompatibilità, ma non ha mai chiarito nel dettaglio come lo farà.

Cerny ha poi detto che un modo per abilitare la compatibilità con le versioni precedenti sarebbe quello di inserire il chipset di precedente generazione in PS5, come è stato fatto con alcuni modelli di PS3. Basata sul processore Cell, PS3 era architetturalmente completamente diversa da PS2, e Sony si ritrovò a dover inserire il chip Emotion Engine all'interno dei primi esemplari del processore Cell di PS3. Il rovescio della medaglia è che questo tipo di approccio è "estremamente costoso". "Anche se la tecnologia è diversa in termini di logica e di set di funzionalità, i titoli PlayStation 4 e PlayStation 4 Pro saranno disponibili in modalità di retrocompatibilità", ha concluso Cerny.

La casa nipponica, nelle ore post presentazione, ha puntualizzato che "la stragrande maggioranza degli oltre 4000 giochi per PS4 potranno essere utilizzati anche su PS5". Sony si aspetta inoltre che tali giochi gireranno a frequenza superiore su PlayStation 5, potenzialmente quindi con frame rate più alti o risoluzioni superiori. "Stiamo valutando i titoli uno a uno per individuare eventuali problemi che richiedano l'attenzione degli sviluppatori".