你应该知道的下一代游戏主机

游戏机就是用来玩游戏的！从早期的红白机、到后来游戏主机遍地开花，再到今天Xbox和PlayStation双雄争霸，游戏机的发展也经历了漫长的过程。时至今日，PlayStation第4代产品已经箭在弦上，全新的第三代Xbox也很快就会发布，这些全新一代的游戏机设备将为我们带来怎样的惊喜？和PC相比又有什么差异呢？本文将率先为你揭开它们的秘密。

移动计算占据了我们的碎片时间、PC占据了办公室和书房，那么谁来占领客厅甚至卧室？答案就是游戏机。对索尼和微软这两个游戏机巨头来说，玩家的选择代表了谁有资格在玩家生活中建立自己的体系，谁有望将触角伸向业内更广阔的空间，况且在这个“占有率”才是王道的时代，没有什么比侵入用户的客厅和家庭更重要的了。目前，上一代的游戏主机已日渐老去，PS3发布于2006年11月11日，Xbox 360还要早至2005年11月22日。在这长达7年左右的时光里，PC中GPU的计算能力从大约0.2TFlops暴增至4.5TFlops，而游戏机还是老样子，它们已经难以呈现出精美的画面，难以支撑游戏的发展和进步了。新时代的大门终究要打开，该来的也应该来了。

PlayStation 4——新选择，新时代

2013年2月21日，PlayStation 4游戏机（下简称PS4）正式发布。令人遗憾的是，在发布会上没有展示PS4真机的照片，只公布了PS4游戏机手柄的相关设计。会后索尼有关人士表示，PS4游戏机的外形还在进一步设计中，暂时没有太多资料可以公布。游戏机是一个庞大的系统，它不仅仅只有硬件，软件更是比硬件更重要的内容。此外，在网络时代，游戏机还被赋予了社交、网络浏览、云计算等众多功能。终的结果是，在PS4发布会上，实打实的介绍PS4硬件性能本身的内容不多，索尼将更多的精力放在介绍游戏互动、云游戏以及厂商演示上。在整个125分钟的发布会上，对游戏机本身的核心硬件架构的讲述从大约第15分30秒开始，持续到第20分30秒就基本结束，耗时约5分钟，占据了整个发布会时间的4%。

在索尼看来，玩家不需要关心机器里面的构造和型号，只需要玩游戏、使用游戏机就可以了，机器里面的内容和玩家是无关的。PS4需要表现给玩家的只有五个基本要素：SIMPLE简单、IMMEDIATE直接、SOCIAL社交、INTEGRATED一体以及PERSONALIZED个性。游戏机对玩家来说，就是一个装满秘密的黑盒子。不过，相信《微型计算机》的读者肯定不会就此罢休，究竟PS4的硬件设计处于什么水平，索尼用4%的时间展示的内容说明了什么，让我们一起来看个究竟(由于PS4的硬件架构只是初步公布，因此不排除索尼未来调整设计的可能)。

CPU：定制八核心，“美洲虎”架构

在PS4发布之前，各路媒体和业内人士已经打探到AMD即将全面给索尼PS4系列提供硬件支持的消息，尤其是x86 CPU和GCN架构的GPU。在大部分猜测中，AMD很可能是用自己高性能的“打桩机”核心作为PS4的CPU基础架构。不过，终公布的产品却让很多人的猜测彻底落空。索尼并没有选用高性能的“打桩机”产品作为自己游戏机的主CPU，而是选择了偏重能耗比，基于轻量级计算的“美洲虎”架构的产品，并史无前例地将CPU物理核心提升至8个。

微软的Xbox是首款基于x86 CPU架构的游戏机（采用了英特尔Pentium Ⅲ 733MHz搭配NVI DIA的GPU），索尼PS4则是第二款。PS4的基础架构和目前的PC架构相似度非常高。它的CPU采用了AMD定制的CPU，GPU同样采用了AMD GCN架构的产品。对此, AMD宣称索尼采用了自己的强大的APU产品。AMD全球业务部门的营销主管John Taylor表示：“虽然PC用户能够在今年买到我们新A系列APU产品，但这些产品的处理器核心数目和浮点运算能力都无法比肩PS4所使用的APU”。既然这款APU如此强大，它的CPU和GPU部分的秘密是什么？先来看CPU。索尼并没有给出CPU架构的具体信息，不过AMD在第60届国际固态电路会议ISSCC 2013上，展示了“美洲虎”相对上代“山猫”架构的详细对比资料。

AMD公布的“美洲虎”架构相关资料,可见其浮点单元是在山猫架构的基础上改良设计的产品。

“美洲虎”相比山猫架构是一次比较明显的进步。CPU架构方面，“美洲虎”主要增强了ISA指令集，加入了诸如SSE 4.2、SSE 4.1、256bit-AVX、BMI1等全新指令集，确保在指令集支持上能够尽量赶上目前的中高端桌面处理器。其次，“美洲虎”改进了指令缓存预取器，提升了每周期有效指令数，还增加了128bit浮点单元、二级缓存预取器、硬件整数除法器等单元。这些新的改进和单元的加入，会给“美洲虎”带来相对“山猫”15%～20%的性能提升。此外，在缓存方面，“美洲虎”采用了和“山猫”类似的架构，缓存维持了每颗核心64KB L1缓存（分为2路32KB指令缓存和8路32KB数据缓存）和512KBL2缓存（16路，为四核心共用2MB）的基本结构。在物理寻址方面由“山猫”的36bit增加到40bit（直接的用途就是可用内存继续增大），浮点单元的读取路径从上代的64bit大幅度提升到128bit，载入与存储带宽也从之前的每周期8Byte增加到16Byte。还有一些比较细节的改动，比如调度器进一步增强等。当然，“美洲虎”也维持了“山猫”双发射乱序执行的基础架构，但大核心数量升级到了4个（“山猫”架构只支持到双核心），以满足目前多核心计算的需求。

在生产工艺方面，“美洲虎”使用了台积电28nmHKMG工艺，单颗内核面积只有3.1mm2（上代“山猫”使用了台积电40nm工艺，单颗CPU核心面积约为4.9mm2）。4核心的“美洲虎”CPU功耗根据频率和应用场合不同，从5W～25W不等。这样低的功耗完全可以满足移动设备、特别是PS4这种对功耗有一定要求的设备使用。而使用8颗“美洲虎”核心的话，架构总面积即使算上缓存和其他部件，面积也不会超过30mm2，功耗也被控制在50W以内，很适合将PS整体功耗控制在150W左右的目标。

总的来看，“美洲虎”架构的CPU核心性能还是比较出色的，同频率每核心性能很可能已经能够接近甚至超越Core 2 Duo处理器。虽然相比目前的Ivy Bridge等先进架构还有所不足，但“性能不够数量凑”——PS4的CPU部分采用了架构基于“美洲虎”的8核心CPU。不过“美洲虎”设计架构本身多只能容纳4颗物理核心，PS4的8核心设计目前还不确定是在4核心“美洲虎”架构上继续增加核心，还是直接内置了两个4核心“美洲虎”架构处理器。我们认为，两种设计都有一定可能：前者几乎需要重新设计CPU连接线路和缓存部分，相对麻烦但性能会更为出色；后者设计和制造都更为简单(可能性更大)，但两颗4核心C PU的通讯必须依靠外部总线，会产生较大的延迟，在性能上会有一定损失。

PS4采用如此多的x86核心，很可能是考虑到了PS3上Cell处理器的应用情况。Cell处理器由1个主要的PPE（PowerPC ProcessingElement，PowerPC处理器）和8个SEP（Synergistic Processing Element，协处理器）构成。在执行任务时，8个SEP处理器中的6个用于执行向量整数、浮点计算等，1个专门用于处理音效（还有一个被屏蔽）。在PS4中，众多的x86核心也可以被分派执行不同的任务以提高效率，特别是对PS4这种封闭的系统来说，软件针对硬件结构作出专门的优化应该不存在太多难题。同时，在新一代游戏中，物理特效应用会大大加强，一些比较简单的物理效果如碰撞、破碎等在PS4的发布会上成为亮点，这些应用对CPU来说，也是发挥多核心并行计算的好用途。

目前尚不知道PS4中“美洲虎”CPU的具体频率，传言称频率可能在1.6GHz～2.0GHz之间，但也有一种可能是AMD为CPU加入智能变频技术，每个核心的频率会根据应用状况、负载大小自动调整，这样更符合多核心CPU的实际使用情况。

小知识：你还记得“山猫”架构吗？

“山猫”架构是A M D面向超低功耗和超便携设备而推出的C P U架构，在2010年底到2011年初开始向O E M厂商出货。“山猫”架构的第一个敌人是英特尔的A t o m处理器，在上网本依旧火红的年代，“山猫”架构被A M D视作和英特尔A t o m对拼、争夺上网本等小体积移动计算设备有力的武器。

山猫架构简图，这款处理器在2011年左右较为火爆，属于典型的超低功耗CPU。从架构角度来看，“山猫”架构采用了双发射、乱序执行设计，理论上性能会比同为双发射、顺序执行的Atom架构要强一些。CPU基准性能测试中，同频率的“山猫”的CPU性能比Atom强约15%左右，但都远远落后于高频率、高性能的桌面CPU。在PC中，“山猫”用于执行日常任务基本够用，如果想用它来执行大型3D游戏等计算负荷较高的任务的话，就比较勉强了。

GPU：“南方群岛”首现

接下来是GPU部分，PS3的GPU部分使用了NVIDIA的RSXGPU，基于G70核心，浮点运算能力大约0.4TFlops，这个数值在今天来看已经完全不够用了。而在PS4上，索尼一并采用了AMD定制的、基于“南方群岛”架构的GPU，浮点计算能力约1.84TFLOPS，是前代产品的4.6倍。

目前泄露出来的技术规格，让我们可以初步判断出PS4上采用的GPU的大致规格。总体来看，PS4的GPU和桌面版AMD7系列显卡所用的GCN架构相似度很高，但做出了一些改进。在核心计算部分，PS4的GPU拥有18个GCN架构的CU（Compute Unites）单元，每个CU单元拥有4个SIMD单元，每个SIMD单元包含了16-wideALU单元。在每次数据处理中，CU在理想的状态下一次可以处理16×4=64次数据，总计18个CU单元在一个时钟周期里可以完成18×64=1152次计算。换句话来说，PS4的GPU拥有1152个流处理器、每个CU配备了16KB缓存、256个矢量寄存器和512个标量寄存器以及164K B的L1本地共享缓存。其性能应优于配备1024个流处理器的Radeon HD 7850，但弱于拥有1280个流处理器的RadeonHD 7870。此外，PS4的GPU部分还加入了一些特殊的单元，比如高优先级图像环路，这些新设计的作用和具体规格都尚未正式公布，具体设计情况也不得而知。

由于架构彻底改进，新的PS4 GPU可以完美支持通用计算。在PS4的发布会上，Havok就借助PS4的GPU展示了GPU加速粒子计算的场景。此外，新的GPU在API支持上会更进一步，PS4来说，DirectX 11是基本不会考虑的，OpenGL才是重要的API。AMD新的GPU支持OpenGL中的新特性，包括PC上常见的曲面细分以及新加入的Transform feedback、子程序等新功能。新功能的加入会降低图形人员编写程序的难度，让游戏画面能够使用更多特效，终呈现出更为出色的画质。

目前外界对PS4中GPU的具体内容还是知之甚少，按照惯例，索尼也不会公布GPU的频率、内部架构以及硬件设计等。因此对PS4 GPU的更多内容只能猜测，要么就根本无法知道了。本文受限于资料来源，也只能浅尝辄止。

PS4 GPU的代号为“Liverpool”(利物浦)，拥有多条计算环路和管道，可以更好地控制系统资源，并将负载分配到所有可用的CU单元上。