مارک سرنی (Mark Cerny) معمار ارشد Playstation 4 در مصاحبه ای با وبسایت Gamasutra در مورد سخت افزار PS4 صحبتهای مفصلی کرده متن کامل این صحبتها رو میتونید در لینک منبع بخونید من قسمت زیادی از این صحبتهارو تو این پست قرا دادم.
سرآغاز
مارک سرنی:
"برای من همه چیز از سال 2007 شروع شد"
سرنی تعطیلات روز شکرگذاری خودش رو صرف خوندن تاریخچه معماری X86 کرد نه فقط به خاطر تکامل جالب توجهی که این پردازنده ها در طول این سالها داشتن بلکه به این دلیل که زمانیکه PS4 وارد بازار میشه به اندازه کافی برای نیازهای سونی قدرتمند باشه.
این پردازنه ها به چیزی تبدیل شده بودن که" به صورت گسترده ای توسط برنامه نویسهای نخبه تو صنعت گیم مورد استفاده قرار میگرفتن"
شوق و اشتیاقی که در او برای پروژه ساخت PS4 به وجود اومده بود باعث شد بعد از روز شکر گزاری پیش فیل هرسیون و ماسا چاتانی بره و درخواست کنه که روی پروژه ای که منجر به ساخت PS4 میشه کار کنه و در کمال تعجب اونها جواب مثبت میدن!
"بزرگترین چیز" در باره Playstation 4
سرنی به طراحی Palystation 4 با تعهد و اولویت قرار دادن یک اصل مهم بالاتر از هر موضوع دیگه ای قدم برداشت!
سرنی:"بزرگترین چیز برای ما این بود که نمیخواستیم سخت افزارمون به معمایی برای برنامه نویسهایی که میخوان عنوانهای با کیفیت تولید کنن تبدیل بشه"
پلی استیشن 3 بسیار پرقدرت بود ولی پردازنده Cell همیشه مانعی بود برای توسعه دهنده هایی که با اون نا آشنا بودن.
سرنی:
"قدرت زیادی در اون وجود داشت اما برای آزاد کردن اون قدرت شما به مطالعه و فراگیری روشهای کاملا منحصر به فردی احتیاج داشتین"
این وضعیت به طور مستقیم باعث به وجود اومدن فلسفه ای در طراحی Playstaion 4 شد!
سرنی:"امید این بود که با پلی استیشن 4 هم معماری قدرمتندی داشته باشیم و هم این معماری در خیلی از زمینه ها معماری آشنایی باشه"
اما سهولت در استفاده تنها هدف سرنی نبود! بعد از 31 سال کار کردن در این صنعت او به خوبی میدونست که PC ها به زودی به Playstation 4 که در قسمتی از زمان منجمد شده خواهند رسید...!
سرنی:
"در نهایت ما سعی کردیم توازنی بین ویژگیهایی که شما در روز اول میتونید از اونها استفاده کنید و وِیژگیهایی که اجازه خواهد داد تا این سیستم در طول سالهای بعد به تکامل برای ارائه بازیهای بهتر برسه بر قرار کنیم" یعنی "معماری کامپیوتری که سوپرشارژ شده"
معنی "سوپر شارژ شده" چیه؟
معماری پلی استیشن 4 در نگاه اول بسیار نام آشنا به نظر میرسه ولی سرنی معتقده که کار تیم اون روی گسترش این کنسول فراتر از قابلیتهای اولیه بوده.
برای مثال در مورد GPU.
سرنی میگه:
"این یک ATI رادئونه! , وارد شدن به اعداد و ارقام احتمالا کمک زیادی به مشخص شدن وضعیت نمیکنه! ما از آخرین تکنولوژی های اونها (AMD) استفاده کردیم و تغییرات زیادی هم روی اون انجام دادیم"
این صحبتها نشون میده نگاه سرنی به پلی استیشن 4 استفاده آسان و قدرت کافی برای زمانهای طولانی بوده برای همین اونها از یک معماری آشنا ولی به شکل هوشمندانه ای تغییر شکل یافته استفاده کردن.
سرنی:
"قسمت سوپر شارژ شده استفاده ما از مخزنی یکپارچه از مموری با سرعت بالا هست"
منظور سرنی استفاده PS4 از حافظه GDDR5 ـه که به آسونی و کاملا قابل آدرس دهی توسط CPU و GPU هست.اگر به PC ها نگاهی بندازید به قول سرنی:
"اگر شما 8 گیگ رم روی PC ـتون داشته باشید CPU و GPU فقط میتونن 1 درصد از اون حافظه رو برای هر فریم به اشتراک بزارن این محدودیتی هست که به سادگی توسط PCIe اعمال میشه بنابر این ما از معماری یکپارچه بر روی PS4 سود زیادی میبریم و این سود حتی از همون روز اول که شما بر روی این سیستم کد نویسی میکنید به شما میرسه"
CPU و GPU روی "یک تراشه بسیاربزرگ سفارشی " توسط AMD برای سونی ساخته شده.
سرنی:
"هشت هسته جاگوار و یک GPU به همراه تعداد زیادی از واحدهای دیگه همه باهم روی یک die (قالب) جمع شدن"
مموری داخل چیپ جاسازی نشده ولی از طریق یک گذرگاه 256 بیتی با پهنای باند 176 گیگ بر ثانیه با حوضچه حافظه مشترک ارتباط بر قرار میکنه.
سرنی:
"یکی از کارهایی که ما میتونستیم انجام بدیم این بود که گذرگاه رو به 128 بیت تقلیل بدیم که باعث میشد پهنای باند به 88 گیگ بر ثانیه برسه و اونوقت با قرار دادن یک eDRAM عملکرد بالا رو دوباره به اون برگردونیم"
در حالیکه این راه حل در ابتدا و با توجه به سهولت ساخت اون به نظر تیم طراح رسیده بود ولی به دلیل پیچیدگیهایی که برای سازنده ها ایجاد میکرد اون رو رها کردن.
سرنی:
"ما نمیخواستیم که برای سازنده ها معماهایی به وجود بیاریم که اونها مجبور به حل کردنش برای توسعه و ساخت بازیهاشون بشن برای همین ما به فلسفه ساخت حافظه یکپارچه وفادار موندیم"! [چون] " بزرگترین فید بکی که از اونها گرفته بودیم این بود که اونها خواستار حافظه یکپارچه هستن"
"من فکر میکنم شما قدر دانی خواهید کرد از اینکه چقدر تعهد ما به داشتن معماری بازیساز پسند زیاد بوده در پرتو این حقیقت که ما میتونستیم سخت افزاری با یک ترابایت [ 1000 گیگابایت] پهنای باند به کمک یک حافظه داخلی کوچیک بسازیم ولی اون استراتژی رو اتخاذ نکردیم و من فکر میکنم این مسئله طرز تفکر مارو به وضوح نشون میده"
معماری آشنا اما ضد آینده (مثل ضد خش
*توضیح*
asynchronous compute یا محاسبه ناهماهنگ/غیر همگام که ممکنه چندجا از اون اسم برده بشه به محاسباتی میگن که انجامشون اختلالی در روند کار محاسبات اصلی ایجاد نکنه. به عبارتی، پس از اجرای این محاسبات، نیاز نیست تا پایان کار اونها منتظر بمونیم و می تونیم در آن واحد محاسبات دیگه ای رو به صورت موازی انجام بدیم.من برای وفادار موندن به متن اصلی اون رو در اکثر جاها غیر همگام یا ناهماهنگ ترجمه کردم ولی برای سهولت درک موضوع میتونید واژه محاسبات موازی رو هم جایگزینش کنید.
سرنی متقاعد شده که در سالهای پیش رو توسعه دهنده ها به استفاده از GPU برای بالا بردن گرافیک بازیها رو میارن و اون معتقده که یه راه حل انعطاف پذیر و قدرتمند به اونها ارائه داده.
سرنی:
"چشم اندازه ما استفاده از GPU برای گرافیک و محاسبه همزمان با همه , باور ما اینه که در اوسط طول عمر کنسول پلی استیشن 4 محاسبات غیر همگام بخش بسیار بزرگ و مهم از تکنولوژی بازیهاست"
و اضافه میکنه:
"یکی دو جین برنامه به طور هم زمان بر روی GPU اجرا میشه" که از GPU برای " محاسبات فیزیک , محاسبات برخورد اجسام , انجام ردیابی نور و برای صدا" استفاده میکنه.
اما این دیدگاه یک چالش عمده ایجاد میکنه:
سرنی:
"سوالی که مطرح میشه اینه که وقتی ما همچین دیدگاهی نسبت به محاسبات غیر همزمان در اواسط عمر کنسولمون داریم چطوری میتونیم سخت افزاری به وجود بیاریم که از اون پشتیبانی کنه؟"
یکی از موانع اینکار معماری سنتی کامپیوترهای فعلی هست یعنی نوع ارتباط بین CPU , GPU و RAM . ولی پلی استیشن 4 طراحی شده تا به این مشکل رسیدگی کنه!
سرنی:
"GPU در یک PC متدوال دارای دو گذرگاه هست , گذرگاه اول برای دسترسی GPU به حافظه ویدئویی (که بر روی خود کارت گرافیک قرار گرفته) و گذرگاه دوم که GPU از اون برای دسترسی به حافظه اصلی سیستم از میون PCI اکسپرس استفاده میکنه , اما هر کدوم از این دو گذرگاه که مورد استفاده قرار بگیرن کچه (حافظه نهان که انبار اطلاعات نیازمند به پردازش سریع هست) داخل GPU به یک مانع قابل توجه برای ارتباط CPU و GPU تبدیل میشه , هر زمان که GPU میخواد اطلاعاتی رو که CPU نوشته بخونه و یا هر زمان که GPU میخواد اطلاعاتی رو بنویسه که CPU باید اون رو ببینه عبور وقت گیر اطلاعات از گذرگاه درخواتسهای داخل کچه GPU رو با مشکل مواجه میکنه"
سونی چگونه این سخت افزار رو تغییر داده...
سه تغییر عمده ای که سونی ایجاد کرد تا چشم انداز مورد نظر رو دنبال کنه .
سرنی:
" اول , ما گذرگاه دیگه ای به GPU اضافه کردیم تا بتونه مستقیما از حافظه اصلی سیستم بخونه و یا روی اون بنویسه و به این ترتیب کچه های L1 و L2 اون رو دور زدیم.نتیجه ای که حاصل شد این بود که اگر داده هایی که بین CPU و GPU در گردش بودن کوچیک بود شما مشکلی با هماهنگ کردن اونها پیدا نمیکردین.و با داده های کوچیک منظورم از کوچیک در قیاس با نسل آینده هست ما میتونیم تقریبا 20 گیگابایت رو در ثانیه از اون گذرگاه عبور بدیم که البته در قیاس با تکنولوژیهای رایج خیلی کوچیک نیست چون از گذرگاه PCI اکسپرسی که اکثر PC های فعلی دارن بزرگتره!"
"حرکت بعدی, برای استفاده از کچه L2 داخل GPU جهت انجام همزمان پردازش گرافیکی و محاسبات غیر هماهنگ این بود که ما یک بیت رو به عنوان برچسب به خطهای انتقال داده کچه اضافه کردیم . ما اسم این بیت رو گذاشتیم volatile بیت. به این ترتیب شما میتونید تمام داده هایی رو که نیاز به محاسبه دارن با volatile مارک و انتخاب کنید و وقتیکه زمان محاسبه اونها فرا میرسه از روی حافظه سیستم بخونید و... این نوآوری اجازه میده تا محاسبات و عملیاتهای مورد نیازش از کچه L2 داخل GPU بدون تاثیر قابل توجهی بر عملیاتهای گرافیکی هر زمان که مورد نیاز باشه استفاده کنن به بیانی دیگه این کار به طور اساسی اضافه باری رو که اجرای همزمان محاسبات و گرافیک باهم به GPU تحمیل میکنه کاهش میده"
"روش سوم استفاده از معماری GCN شرکت AMD بود که اجازه دسترسی و پردازش به یک منبع از دستورات گرافیکی و دو منبع از دستورات محاسباتی رو میده.برای PS4 ما با AMD همکاری ای رو انجام دادیم که دسترسی به منابع دستورات محاسباتی رو به 64 عدد افزایش بده.ایده این مسئله از اینجا شروع شد که اگر شما به محاسبه غیر همگام احتیاج پیدا کردید بتونید دستوراتتون رو در یکی از این 64 صف قرار بدین وبعد از اون سطوح مختلفی از داورها (برای اطلاعات بیشتر رجوع شود به مبحث arbitration ها در سخت افزار) در سخت افزار تعیین میکنن که در کنار تصاویر گرافیکی چه چیزی , چه جوری و چه زمانی اجرا بشه. "
توضیح:
خلاصه اینکه این روش به توسعه دهنده ها اجازه میده خیلی از پردازشهای غیر گرافیکی از جمله فیزیک رو که به دستورات محاسباتی نیاز زیادی پیدا میکنن در کنار محاسبات گرافیکی به شکل خیلی موثر و با بهره وری بالا روی GPU اجرا کنن البته با توجه به این مسئله که در یک بازیه کامپیوتری هر لحظه ممکنه بسته به پیش آمدهای داخل بازی احتیاج به این دسته از محاسبات ضروری بشه , علاوه بر اون این تنها بازیهانیستن که به محاسبات نیاز پیدا میکنن.
سرنی:
"دلیل اینکه به منابع بسیار زیادی از واحدهای محاسباتی نیاز هست اینه که فقط بازیها نیستن که از اونها استفاده میکنن و میان افزارها (middleware) هم به محاسبه نیاز پیدا میکنن. درخواست میان افزارها برای کار بر روی GPU این نیاز رو ایجاد میکنه که با زمان بندی دقیق و بر اساس اولویت بندی با درخواستهای بازی ترکیب بشه "
این مفهوم از نرم افزاری به اسم SPURS که به برنامه نویسها کمک میکرد با ترفندی وظایف مختلف رو با سرعت بیشتری روی SPU های سل اجرا کنن گسترش پیدا کرد ولی در PS4 این کار به صورت سخت افزاری انجام میشه.
سرنی:
"زمانیکه ما این قابلیتها رو طراحی کردیم سالهای 2009 و 2010 بود ولی بازه زمانیکه مردم از این ویژگیها به طور کامل استفاده میکنن 2015 خواهد بود؟ 2017 خواهد بود؟"... " رویکرد کلی ما این بود که تعداد زیادی کنترل برای چگونگی ترکیب محاسبات و گرافیک ارائه بدیم , و اجازه بدیم که توسعه دهنده ها خودشون انتخاب کنن که از چه روشی موقع مواجه شدن با مقدار زیادی از محاسبات غیر همگام استفاده بشه"
سرنی انتظار داره توسعه دهنده ها برای اجرای میان افزارها به عنوان مثال فیزیک در بازیها از GPU استفاده کنن و با سیستمی که در بالا توصیف کرد شما میتونید همیشه در اوج بهره وری از سیستم برنامه هاتون رو اجرا کنید...
لانچ کنسول و اتفاقات بعد از اون:
مزایای این سیستم قدرتمند در عنوانهای ابتدایی PS4 دیده خواهد شد اما سرنی معتقذه در آینده اونها از طریق راهی کاملا متفاوت میدرخشن.
"بازیهای لانچ PS4 که بدبختانه من نمیوتنم تعداد اونها رو اعلام کنم (در قیاس) از هر پلی استیشن دیگه ای قویتر هست.و این نتیجه معماری آشنای ما هست"..."اما اگر بازه زمانی شما 2015 هست , در اون تاریخ باید به طرز تفکر دیگه ای روی آورد اون زمان شما واقعا به سفارشی کردن (کد نویسی) احتیاج پیدا میکنید , چونکه رقابت ایجاب میکنه"
برای پورت انجین یک بازی از PC به PS4 "چند هفته به جای چند ماه" کفایت میکنه...
به طور خلاصه سرنی معتقده که درسته که PS4 با توجه به معماری آشنایی که داره از همون روز اول از همه قدرتش استفاده میکنه و بازیهای با کیفیتی ارائه میده ولی به این معنی نیست که در آینده پیشرفتی تو بازیهای PS4 دیده نشه و اون این پیشرفت رو ناشی از تغییر نگرش بازیسازها در سالهای پیش رو میدونه و عقیده داره که PS4 از الان برای اون نگرش آماده هست.
آزاد کردن منابع سیستم با واحدهای اختصاصی درون PS4:
یکی دیگه از چیزهایی که تیم سازنده PS4 به منظور افزایش انعطاف پذیری کنسول انجام داده اضافه کردن تعداد زیادی از توابع اساسی (پایه) به صورت واحدهای مجزا بر روی برد کنسول هست به این ترتیب شما برای انجام بعضی چیزها لازم نیست منابعی از سیستم رو به اون کار تخصیص بدین.
به صورت خلاصه:
دلیل ساختن این واحدهای مجزا این هست که موقع اجرای بازی امکانات اضافی در نظر گرفته شده کمترین تاثیر رو روی بازی داشته باشن مثلا طراحی سخت افزاری جداگونه برای پردازش صدا این امکان رو به کاربر میده تا موقع اجرای یک بازی به چت صوتی بپردازه بدون اینکه منابعی از سیستم برای پردازش صدا اختصاص پیدا کنه یا موقع اجرا بازی عمل فشرده سازی و برعکس روی فایلهای mp3 که در بازی مورد استفاده قرار میگیرن توسط این سخت افزار صورت میگیره.
همینطور انجام کارهایی به صورت موازی مثل دانلود داده ها همزمان با اجرای بازی و یا نصب کامل بازی از روی بلو ری زمانیکه سیستم بیکار هست.
همچنین قرار دادن توابعی که کارشون (zlib decompression) غیر فشرده کردن یا رمزگشایی از فایلهای zip شده روی هوا هست !!
*توضیح*
منظور از واژه غیر فشرده سازی روی هوا که داخل مقاله اصلی با اصطلاحی نزدیک به همین اصلاح به کار رفته (On the fly) اینه که داده های زیپ شده معمولا باید به صورت کامل آنزیپ بشن تا بتونن مورد استفاده قرار بگیرن ولی توابع جاسازی شده درون سخت افزار PS4 باعث میشن که (میشه برای درک بهتر اینطور عنوان کرد) فایلهای زیپ شده تقریبا به همون صورت زیپ پردازش بشن چون عمل آنزیپ کردن فوق العاده سریع و به صورت سخت افزاری و ریل تایم صورت میگیره!
چیپ دیگه ایم روی PS4 تعبیه شده که کمک میکنه سیستم با کمترین مقدار مصرف برق و حتی زمانیکه خاموش هست به دانلود کردن ادامه بده.
Gamasutra - Features - Inside the PlayStation 4 With Mark Cerny
آخرین ویرایش:
! 
یعنی همزمان که داری یه فیلم 4K تماشا میکنی مثلا GTA 5 EPISODES FROM SA هم داره با فیزیک جادوییش اجرا میشه ! 
Google