Am 21. Mai 2013 wurde die Xbox One angekündigt und wir haben bereits Einiges dazu berichtet. Lest hier alle Meldungen zur Xbox One bei uns! Keine Konsolengeneration brachte bisher so viele Gerüchte und Leaks mit sich. Auch wurden der Hardware und ihrer Grundleistung nie solch große Beachtung geschenkt. Wir durchleuchten gut drei Wochen vor dem offiziellen Launch der Xbox One nochmals die Konsole. Dabei gehen wir auf einzelne Bauteile genauer ein und erläutern seine Bedeutung und Aufgabe.

Die Architektur der Xbox One

Im Kern ähnelt die Hardware der Xbox One einem PC sehr stark. Das SoC (System of a Chip) stammt von AMD und besteht neben den acht Jaguar-Kernen, einem Grafikkern und 15 wetere Prozessoren. Der Grafikpart umfast 12 Rechengruppen mit ingesamt 768 Shader-Rechenkernen und 48 Textureinheiten. Dem SoC stehen neben 8 GByte Arbeitspeicher auch ein 47 MByte großer Pufferspeicher, welcher sich direkt auf dem Die befindet, bereit. Die 15 weitere Prozessoren übernehmen kleinere Aufgaben parallel neben der CPU und GPU. Dadurch sollen sie entlastet werden und im Spiel eine größere Leistung bereit stellen. Einige Fachbegriffe werden in der jeweiligen Kategorie vereinfacht erklärt.

Der Kombiprozessor aus dem Hause AMD

Das Herzstück der Xbox One ist der Kombiprozessor. Der Prozessor besteht neben dem Hauptprozessor auch aus einer Grafikeinheit. Diese Art von Prozessoren nennt man auch Accelerated Processing Unit kurz APU und wird in einem System of a Chip (SoC) realisiert. Dieses APU-Konzept ermöglicht einen kohärenten Adressraum für CPU und GPU im Arbeitsspeicher. Dadurch wird das umständliche und zeitraubende hin- und herkopieren von Daten ausgemerzt und soll so die Kommunikation zwischen den beiden Bauteilen verbessern und erheblich schneller machen. Außerdem lassen sich per Power Gating einzelner Bereiche des SoC bis auf 2,5 Prozenz der vollen Leistungsaufnahme feinkörnig an- und abschalten. Somit würden bei der Wiedergabe von TV-Funktionen nicht die komplette Konsole arbeiten, sondern nur die benötigten Bereiche.

Der Xbox-Chip beherbergt auf riesigen 363mm² fünf Milliarden Transistoren und wird im 28-Nanometer-Verfahren bei TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) gefertigt, genauer gesagt kommt die HPM-Prozessvariante (High Performance for Mobile) zum Einsatz. Diese Technick bietet die Möglichkeit, hohe Taktfrequenzen mit geringen Leckströmen zu kombinieren. Leckströme sind kleine Impulse im µA Bereich, die über die Leiterbahnen springen. Diese Impulse beeinflussen den Prozessor negativ und führen zu Rechenfehler.

Der Hauptprozessor basiert wie oben kurz angesprochen auf der Jaguar-Architektur von AMD. Die Jaguar-Cores sind sehr kleine, auf Effizienz getrimmte Prozessorkerne, die den Nachfolger der beliebten Bobcat-Architektur bilden. In der Xbox One stellen jeweils zwei Module mit je vier Kernen acht x86-Einheiten zur Verfügung. Jedem Modul stehen 2 Megabyte an L2-Cache zur verfügung. Die acht CPU-Kerne takten jeweils mit 1,75 Ghz.

Der Grafikchip auf dem SoC basiert auf die GCN- (Grafics Core Next) Architektur von AMD. Microsoft verwendet wie Sony eine GPU aus der Sea Islands Familie. Microsoft nahm jedoch in bestimmen Bereichen einige Änderungen vor sodass die GPU der Xbox One nicht mit ihren Schwestern im PC verglichen werden kann. Die Grafikeinheit der Xbox One bietet zwölf sogenannte Compute Units mit 768 Shadereinheiten. Jeder Compute Unit stehen zwei Asynchronous Compute Engines für Grafik- und Compute-Berechnungen bereit. Der Takt des Chips liegt bei 853 Mhz. Die GPU bietet rechnerisch also 1.310 GFlops.

Unterstützt die Xbox One jetzt Huma?

Die Xbox One beherrscht durch ihren kohärenten Adressraum im Arbeitsspeicher die Heterogeneous System Architecture (HSA). Ein ungeklärter Vorteil verbirgt sich aber im Heterogeneous Uniform Memory Access (hUMA), welche auch von AMD stammt. Bei der hUMA-Technick werden alle Caches und sonstigen Speicherbereiche kohärent gehalten. Somit stehen der CPU und GPU immer die gleichen Daten bereit. Präsentationsfolien zur Xbox One von der Hot Chip 2013 zeigen aber recht eindeutig, dass der kohärente Zugriff zwischen CPU-Kernen und dem DDR3-Speicher möglich ist. Dem Blockdiagramm zufolge ist der Embedded-Speicher zwar mit dem Speichercontroller verbunden, nicht aber mit der kohärenten Verknüpfung der CPU-Kerne. Es ist jedoch möglich, dass Microsoft sich noch eine Hintertür offen gelassen hat. Für Entwickler bedeutet das Fehlen von hUMA einen gewissen Mehraufwand, zusätzlich zur Programmierung des ESRAM, welcher notwendig ist, um die eher geringere DDR3-Bandbreite zu umgehen.

Der Arbeitsspeicher

Der Xbox One stehen ingesamt 8 GByte DDR3 und 47 Mbyte Pufferspeicher bereit. Dieser Pufferspeicher besteht aus dem 32 Mbyte großen eSRAM, den 4 Mbyte großen L2 Cache für die acht Jaguar-Kerne und 11 Mbyte großen Speicherraum für die weiteren Prozessoreinheiten. Für große Kontroversen sorgte wohl der ESRAM, welcher die niedrigere Bandbreite der DDR3 Speicherbausteine ausgleichen sollte. ESRAM steht für Embedded Static Random Access Memory, einen sehr schnellen Speicher, dessen Inhalt solange gespeichert bleibt, bis er vom Strom getrennt wird. Der ESRAM unterteilt sich in vier 8-MByte-Blöcke, jeder ist mit 256 Bit an jeweils einem Speichercontroller angebunden. Die maximale Bandbreite des ESRAM besträgt 204 GByte pro Sekunde. Der Speichercontroller des DDR3-Speichers ist mittels vier 64-Bit-Kanälen kohärent an die CPU und GPU angebunden. Dabei erreicht der DDR3-Speicher eine Bandbreite von 64 GByte pro Sekunde, das höchste, was die JEDEC derzeit spezifiziert. Somit kann der Systempuffer auf eine theoretische systeminterne Datenübertragungsgeschwindigkeit von 272 GB/s (68+204) zurückgreifen.

Die weiteren Prozessoren und der Audio-Block

Neben dem Hauptprozessor werkeln in der Xbox One 15 weitere Prozessoren. Einige agieren mehr wie CPU-Kerne und andere wie DSPs (Digitaler-Signal-Prozessor). Acht Kerne sind alleine im Audioblock vertreten, Vier Kerne dienen als CPU einer ist ausschließlich für die Video-Decodierung, einer für die Video-Codierung und einer für die Berechnung des Bildformats und der Videogröße.

Der Audio-Block ist vollkommen einzigartig und wurde von Microsoft selbst entwickelt und in Auftrag gegeben. Er basiert auf vier DSP-Kernen von Tensilica und mehreren programmierbaren Prozessor-Engines. Ein Kern läuft zur Kontrolle, über zwei weitere Kerne werden eine Menge der Vektor-Codes für die Sprachwiedergabe und Aufnahme eingesetzt und einer für allgemeine DSP (Digitaler-Signal-Prozessor) Zwecke. Im Vordergrund stehen die Samplerate-Konvertierung, Filtern, Mischen, der Equalizer und die Dynamikberechnung für und über die XMA-Audioblocks (Xbox Audioformat). Die Konsole kann dadurch problemlos bis zu 512 einzelne Tonspuren gleichzeitig abspielen. Dadurch ist es auch möglich, die Stimmeingabe über die Kinect-Kamera zu erweitern und ihr die Fähigkeit zu geben, die Stimmeingabe mehrerer Personen gleichzeitig zu ermöglichen.

Das restliche System

Den Datenverkehr mit dem Rest des Systems übernimmt die Southbridge. Die Verbindung zwischen Southbridge und SoC erfolgt durch eine PCI-Express Schnittstelle. Über die Anzahl der Lanes (Leitungspaare) der Schnittstelle schweigt sich Microsoft bis dato aus. Das Blu-Ray-Laufwerk sowie die 500GByte große festplatte sind per SATA-3Gb/s an die Southbridge angebunden. Außderdem befindet sich auch der 8 Gbyte große Flashspeicher an der Southbridge, welcher per schnellen Embedded-MMC angesprochen wird. Die beiden WLAN Module werden über USB angesteuert. Das ist eher untypisch, da WLAN-Module bei PCs üblicherweise per PCI-Express angebunden sind. Eines der beiden WLAN-Modul ist für die Controller zuständig. Das andere Module geht den einfachen WLAN-Aufgaben nach. Der HMDI-Eingang ist ebenfalls mit der Southbridge verbunden.

Quelle: Microsoft, Techhive.com