PS6 und die nächste XBOX: die möglichen Potenziale bei den CPUs der nächsten Generation

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Nach dem erfolgreichen Debut der PS5 und XBOX Series X|S betrachten wir was die Zukunft im Bereich der CPUs bringen könnte.

Als die PS4 und die XBOX One 2013 veröffentlicht wurden, stellten beide Konsolen einen Paradigmenwechsel da: Beide Hersteller verabschiedeten sich von ihren jeweils propriertäten CPUs und verwendeten beide von da an die von AMD produzierten x86/AMD64 CPU Kerne. ( AMD64 steht dabei für die 64-Bit Erweiterung des Intel Befehlssatzes, welcher später von Intel für die eigenen Prozessoren übernommen wurde.) 
 
Der Vorteil dieser Vorgehensweise lag auf der Hand wie Mark Cerny erklärte 2013: Die von Sony selbst entwickelte Cell CPU für die PS3 mit ihren 8 SPUs - das sind hochspezialisierten Rechenkerne - war dermaßen komplex und teuer, dass sowohl die Entwickler in Form von Einarbeitungszeit und die Konsumenten in Form eines hohen Startpreises die Konsequenzen trugen. Die Litanei der Entwickler in Bezug auf die Schwierigkeit der Codeerstellung für diesen Spezialprozessor und auch der Kostendruck führten schlussendlich zur Nutzung der x86/AMD64-AMD Jaguar Kerne für die PS4 und auch in Microsofts XBOX One. 
Microsoft ging einen ähnlichen Weg und sattelten damals von ihrer bisherigen PowerPC-Architektur auf x86/AMD64-AMD Jaguar Kerne um. Davor waren Ports von XBOX 360 Titeln auf dem PC mit sehr viel Aufwand verbunden, was nun durch die gleiche Architektur wegfiel.
 
Sowohl Sony als auch Microsoft konnten ab diesem Zeitpunkt leistungsfähige Konsolenhardware produzieren ohne die hohen Entwicklungskosten der CPU (bei Sony)  auf die einzelnen Geräte umlegen zu müssen; darüberhinaus mussten Spieleentwickler auch nicht eine neue Architektur erlernen, denn Tools und Dokumentation für x86/AMD64 basierte Prozessoren existierten zuhauf. Gerade die (unzureichende) Dokumentation und wenigen Beispiele bei den Cell SPUs ließen nicht so versierte Entwickler verzweifeln. Was aber beide Hersteller mit dem Wechsel auf x86 aufgaben, war die Möglichkeit Hardware so zu designen, wie sie es sich vorstellten. Sonderwege waren nur noch in begrenzten Umfang möglich und auch hochspezialisierte Lösungen für bestimmte (Spiele-)Probleme waren nun nicht mehr im Bereich des machbaren.
 
Die PS5 und XBOX Series S|X setzen beide diese Vorgehensweise fort und integrieren AMDs Zen-2 CPU Kerne, was diesen eine weitgehende Abwärtskompatibilität zur XBOX One bzw. PS4 ermöglicht. Konsolen waren und sind nun endgültig im x86/AMD64- Land angekommen.
 
 

Friede Freude Eierkuchen im x86-CPU-Land?

 
Jetzt da wir alle (PC und die Konsolen bis auf Nintendos Switch) im Reich der Glückseligen angekommen sind, ist nun alles gut und leben wir glücklich bis zu unserem Lebensende? Mitnichten! Der Fokus der Gamer richtet sich seit geraumer Zeit auf die Leistungen der GPU, aber die CPU bleibt in dieser Fixierung merkwürdigerweise immer wieder aussen vor und scheint für die meisten, auch in der Fachpresse, eine untergeordnete Rolle zu spielen. 
 
AMD als auch nVidia entwickeln im Grafikbereich alle zwei Jahre entweder neue Technologien oder präsentieren starke Leistungssprünge und können mit ihren Produkten die Fachwelt beeindrucken. Der letzte Paradigmenwechsel bei Grafikprozessoren fand vor garnicht so langer Zeit statt: 2018 stellte nVidia mit der GeForce RTX 2080 die erste Grafikkarte vor, die Raytracing in Hardware unterstüzte. Raytracing ist ein Verfahren in der graphischen Datenverabeitung, welches die Lichtberechnung nicht mehr nur annähert, sondern diskret berechnet. Dadurch werden Schatten realistischer, Lichteinfälle in Gebäuden wirken natürlicher und auch die Beleuchtungssituation eines gesamten Raumes wirkt drastisch besser. Was das ganze zu etwas besonderem macht, ist, dass diese Lichtberechnung dynamisch erfolgen kann und nicht mehr über gebackene Lightmaps vorher festgelegt werden muss die sich kaum anpassen können. (Stichwort Global Illumination).
 
Auch die PS5 und XBOX Series S|X unterstützen Raytracing in Hardware. Aber was ist mit den CPUs? Die ZEN-2 CPUs sind leistungsfähiger als die Jaguarkerne in den Konsolen zuvor mit dem Unterschied, dass der Leistungsssprung nicht zu vergleichen ist mit den Entwicklungen im Grafikprozessorbereich.
AMD schliesst mit den Zen-2 Kernen zwar zu Intel in Sachen Single-Core Leistung auf, aber dabei lässt man ausser acht, dass Intel in den letzten Jahren kaum eine Verbesserung seiner Kernleistung erbringen konnte. 
 
 
Seit 2015 hat sich die Leistung der CPUs von Intel im Schnitt nur um etwa 20% verbessert und AMD hat nach seiner letzten, desaströsen CPU-Architektur mit dem Codenamen Bulldozer nur den kleinen Vorsprung den Intel bisher vor AMD hatte, aufgeholt. Während AMD inzwischen mit der Zen Architektur ein heisses Eisen im Feuer hat, plagt sich Intel weiterhin mit Fabrikationsschwierigkeiten und Strukturverkleinerungen, die nicht zu funktionieren scheinen. Es scheint auch, dass Intel mit der abermaligen Nutzung der Sandy Bridge Core Architektur und keiner Ankündigung einer neuen Architektur auf der Stelle tritt. 
 
Bisher scheint es zwar so, dass Sony und Microsoft mit x86/AMD64 auf das richtige Pferd gesetzt haben, aber der Ausblick für die Zukunft bei der PS6 und der nächsten XBOX ist nicht so rosig: Diese Architektur ist inzwischen sehr alt, Erweiterungen wie MMX, SSE, AVX, AVX-512 und andere sind im Laufe der Jahre zwar hinzugekommen und frischen sie auf aber die eigentlichen Verbesserungen in der letzten Zeit ergeben sich inzwischen durch Strukturbreitenverkleinerungen und höheren Taktraten. Letztere bewirkt größere Abwärme, was durch die geringeren Strukturbreiten kompensiert werden kann. Bereits jetzt kämpfen die Zen CPUs mit Abwärme und Leistungsdrosselungen im PC Bereich sobald über einen konstanten Zeitraum hohe Performance abgerufen wird aber das Kühlsystem nicht genug Abwärme aufnehmen kann. Mark Cerny hat in einem Interview verlauten lassen, dass Spiele auf das Kühlsystem begrenzt zugreifen können und das Betriebssystem mit der Drosselung und Steuerung der Lüfter operieren können. Die ganze Diskussion um Abwärme und ähnlichem sollten PC Gamern nicht unbekannt sein.
 
Große Leistungssprünge sind im Moment teuer erkauft: Auch die neuen Ryzen 5000er CPUs der Zen-3 Generation verbrauchen trotz hochaktuellem 7nm-Struktur-Prozess immer noch dermaßen viel Energie, dass ein gutes Kühlsystem vonnöten ist. Die Grafikprozessoren von AMD, die auch im 7nm-Struktur-Prozess gefertigt werden, haben thermische Probleme und müssen ebenso ausreichend stark gekühlt werden.
 
 

Der andere Weg: ARM-Architektur

 
Konsolenhersteller sind aber nicht dazu verdammt, auf ewig und drei Tage auf x86/AMD64 zu setzen. Es gibt Auswege im Bereich der CPU, die den Konsolenhersteller die Möglichkeit geben neue starke Weiterentwickelungen  für sich nutzen zu können:  Die ARM-Architektur. Aufgrund einer komplett anderen herangehensweise bei der ARM-Architektur sind Prozessoren dieser Zunft stromsparender als ihre Intel und AMD-Pendents. Waren früher Prozessoren aus der ARM-Riege den x86/AMD64 CPUs hoffnungslos unterlegen, ändert sich dies nun ohne dass die Nachteile des großen Stromverbrauchs übernommen werden.
Qualcomms Standardprozessoren in der ARM-Architektur, die Snapdragon-Reihe,  und Apples AX/MX SoCs bieten inzwischen Leistung bei einem signifkant geringem Verbrauch mit Blick auf die x86-Liga. Der Zugang zu den Applechips wird verwehrt bleiben, aber ein Blick auf diese gibt einen Ausblick darauf, was auch für alle anderen Hersteller von ARM-Chips später kommen wird.
 
Apples ARM Chip in der ersten Desktopversion für deren Low-End Geräte wie dem MacBook Air übertrifft bereits jetzt die Leistung äquivalenter Intel und AMD Chips um mindestens 80% im Single Corebereich und das bei signifikant geringerem Stromverbrauch. Auch im Multicore ist der Apple Chip etwa 20% leistungsfähiger.
Der neue Snapdragon 888 von Qualcomm hat bisher noch nicht die Integrationsdichte Apples erreicht, aber leistet bei einem Bruchteil des Stromverbrauchs bereits im Geekbench im Multicore projeziert etwa 70% der Leistung eines Intel Core i7-9700 @ 3GHz, 4,7GHz Turbo.
 
Bei beiden Prozessorfamilien ist der Verbrauch und die Abwärme im Vergleich zu den x86/AMD64-Chips signifikant geringer, wobei die Leistung bei Apple bereits jetzt diese übertrifft und bei Qualcomm der Chip auf dem Weg ist, in den nächsten Jahren die Intel/AMD Chips zu übertreffen.
 
 
Die ARM Architektur zeigt, dass inzwischen leistungsfähige Prozessoren entwickelt werden können, die mit einem Bruchteil des Stromverbrauchs auskommen. Dass ARM-Prozessoren nicht nur für Mobiltelefone genutzt werden, zeigt der Einsatz dieser Kerne in Rechenzentren und Supercomputern.
Was aber wäre denn der unmittelbare Vorteil dieser Architektur für Konsolen? 
Erstens ermöglicht sie eine kompaktere Bauweise und leisere Geräte. Auch wenn Microsoft es mit der Series S|X und Sony mit der PS5 geschafft haben relativ leise zu sein,  so sind die Geräte selbst doch sehr groß und brauchen viel Platz für Ihre eingebauten Kühlkörper und großen Radiallüftern. Eine andere Vorgehensweise wäre, bei gleichbleibender Kühlleistung sehr viel mehr Prozessorpower in die Konsole zu integrieren, als es mit der bisherigen Architektur möglich wäre. Ein einfaches Rechenbeispiel: Nehmen wir an die PS6 oder die nächste XBOX könnten ohne Probleme 200 Watt Verlustwärme der genutzten x86/AMD64 Architektur wegkühlen. Die gleiche Performance würde unter der ARM-Architektur aber nur etwa 80 Watt verbrauchen. Jetzt könnte Sony und Microsoft die übrig gebliebenen 120 Watt dafür nutzen, entweder mehr CPU Kerne zu integrieren, oder mehr GPU Kerne zu integrieren oder eine Kombination von beidem wählen.
 
Zweitens würden neben dem offensichtlichen Vorteil der geringeren Abwärme, der Pfad für eine breitere Entwicklung der CPU-Architektur eröffnet. So wird im Bereich des Machine Learning immer mehr herausgeholt. Lagern bisherige Rechnersysteme und Konsolen diese Algorithmik auf die Grafikkarten aus, so gibt es inzwischen Hardwareentwicklungen, in der effiziente Rechenkerne diese Aufgaben mit dem Bruchteil der Energie und Leistung verarbeiten. Darüberhinaus sollte nicht übersehen werden, dass die ARM Architektur sich als flexibler erwiesen hat um Anforderungen der Nutzung anzugehen. Konsolen sind hochspezialisierte Hardwareprodukte und eine CPU die maßgeschneidert für die Anforderung der Konsole ist, und gleichzeitig nicht die Kosten einer kompletten Eigenentwicklung erfordert, scheint das beste aus beiden Welten zu sein: Niedrige Kosten bei spezialisierterer Hardware. Nintendo hat bei der Switch bereits mit nVidias Tegra auf ARM gesetzt und dieser Chip ist vor 2015 entwickelt worden. 
 
 

nVidia ist wieder back in the game

 
Der Kauf von ARM Holdings (diese Firma entwickelt die Chipdesigns auf Basis der ARM Architektur und lizensiert sie an andere Hersteller) durch nVidia ermöglicht neue Synergien für den Grafikprozessorpezialisten. Hat im Moment AMD die Nase vorn beim Bereitstellen von CPUs und Grafikeinheiten für Konsolen, könnte sich in Zukunft das Blatt wenden. Noch ist es zu früh definitiv zu sagen, was nVidia in Zukunft entwickeln wird, aber der Konsolengamingmarkt wird sicherlich einer der Ziele sein auf den der Zukauf abzielt. Die Expertise von nVidia im Bereich der Grafikhardware zusammen mit den Chipdesigns von ARM könnte zu neuen leistungsfähigeren CPU/GPU Kombinationen (SOCs) führen, wie es Apple mit den AX/MX Prozessoren vorgeführt hat. Das Entwicklungspotenzial im Bereich von ARM und den Grafikprozessoren ist größer als das was die inzwischen in die Tage gekommene x86/AMD64 Architektur in Zukunft zu bieten hat. Falls es in diesem Lager nicht zu einem grundlegendem Paradigmenwechsel kommt, könnte die x86/AMD64 PC-Architektur für Konsolen immer uninteressanter werden. Ein erstes Anzeichen auf Bewegung als Reaktion durch die ARM-Bedrohung gab es auf dieser CES: Intel stellte mit den Alder Lake Chips die Übernahme des aus dem ARM-Umfeld bekannten BIG.little Prinzips vor. Vier High-Performance Kerne arbeiten neben vier High-Efficiency Kerne auf einem Prozessordie. Das ist für Gerätschaften bei denen Energie gespart werden sollte, sehr Interessant, aber für eine Konsole, die permanent hohe Performance benötigt, noch nicht der richtige Weg. Um wieviel die High-Performance Kerne des Alder Lake Chips besser sind, bleibt abzuwarten denn Zahlen ist Intel uns schuldig geblieben. AMD wird mit der nächsten ZEN Generation sicherlich ähnliche Technologien anbieten, aber auch hier bleibt abzuwarten ob sich die Performance-per-Watt-Ratio verbessern lässt. Ganz zu schweigen von hochspezialisierten Kernen für Machine Learning, welches bei Konsolen und PCs (bisher) auf den GPUs läuft und somit Ressourcen bindet. 
 
Natürlich sollte man aber auch die offensichtlichen Nachteile eines Umschwenks der Architektur nicht ausser Acht lassen: Die Inkompatibilität. Für den Nutzer würde es bedeuten, dass Spiele nur noch auf der neuen Hardware laufen würden, und Crossgrades wie sie bspw. bei PS4/PS5 möglich sind, würden erschwert. Abwärtskompatibilität zu einer "älteren" PS5 oder PS4  (das Äquivalente für die XBOX) wären vorbei. Für Publisher und Entwickler würde es bedeueten, dass sie Spiele nicht mehr einfach auf den PC porten könnten und (wieder) einen eigenen Entwicklungsstrang für Spiele auf Konsolen betreiben müssten. 
 
Es bleibt also abzuwarten, was gemacht wird. Wahrscheinlich ist, dass man aufgrund der Synergien erst einmal bei der x86/AMD64 Plattform bleiben wird, aber nichtsdestotrotz scheint die Zukunft der CPUs nicht mehr dort zu liegen, sondern bei ARM.
 
 
 
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