Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/sony-playstation-4-pro-was-die-erste-4k-spielekonsole-so-besonders-macht-1611-124213.html    Veröffentlicht: 07.11.2016 09:10    Kurz-URL: https://glm.io/124213

Sony Playstation 4 Pro

Was die erste 4K-Spielekonsole so besonders macht

Bessere Optik für Full-HD-Fernseher und Rendering-Tricks plus High Dynamic Range für 4K-UHD-TVs: Wir haben uns von Mark Cerny, dem Erfinder der Playstation 4 Pro, deren Hardware- sowie Software-Technik erläutern lassen. Der Clou ist ein Schachbrett.

Mark Cerny nimmt sich Zeit - viel Zeit: Gut anderthalb Stunden lang erzählt uns der Lead System Architect der Playstation 4 Pro, wie Sony die Spielekonsole entworfen hat. Fotos und Videoaufnahmen sind nicht gestattet. Cerny spricht über die Hardware, die moderner ist als alles, was es sonst am Markt gibt, und Render-Technologien, die exklusiv für die Playstation 4 Pro entwickelt wurden.

Das Resultat ist eine Bild- und Grafikqualität, die dank Quasi-4K-UHD-Auflösung und High Dynamic Range bisher noch keine Spielekonsole erreicht hat. Und selbst Gamer, die einen 1080p-Fernseher ohne HDR-Funktion besitzen, erhalten deutlich hübschere Spiele als auf der Playstation 4.

Sony hat uns nach London eingeladen. Abgesehen von einem weiteren Journalisten nehmen am Gespräch mit Cerny nur zwei PR-Manager teil. Cerny liest zwar von einem dicken Stapel Blätter ab, beantwortet aber jede eingeworfene Frage. Immer wägt der System Architect ab, ob er detaillierte Informationen nennen oder doch lieber diplomatisch antworten soll. Das macht die Unterhaltung außerordentlich spannend, da Sony in dieser Ausführlichkeit noch nicht über eine Konsole gesprochen hat.

Für Entwickler hingegen hatte Cerny eine 434-seitige Präsentation erstellt, um ihnen alle relevanten Informationen über die Playstation 4 zu vermitteln. Die Playstation 4 Pro sieht er nicht als eine neue Generation, sondern als Zwischenschritt. Der Aufwand, den ein Studio leisten muss, um ein Spiel für die Konsole anzupassen, sei in Relation eher gering - ein einzelner Programmierer benötige nur wenige Tage bis Wochen. Dennoch wurden nicht alle der bisher über 700 verfügbaren Titel der Playstation 4 für die Playstation 4 Pro optimiert. Die Konsole verfügt über einen Basismodus, in dem Spiele, die nicht überarbeitet wurden, genauso dargestellt werden wie auf der Playstation 4.

Diese Interoperabilität ist Sony wichtig, weshalb die Hardware entsprechend ausgelegt wurde: Die Grafikeinheit enthält doppelt so viele Compute Units (CU) wie die Playstation 4 - 36 statt 18. Im Prinzip hat Sony die neue GPU gespiegelt wie die Flügel eines Schmetterlings. Cerny betonte, dass das physisch tatsächlich so umgesetzt sei. Das resultiert in 2.304 statt 1.152 Shader-Einheiten, die mit 911 statt 800 MHz takten, was 128 Prozent mehr Teraflops ergibt als bei der PS4. Im PS4-Modus wird die Hälfte der CUs deaktiviert und die Frequenz verringert.



Flottere CPU plus mehr Speicher

Bei den CPU-Kernen gehen die Japaner etwas anders vor. Wie gehabt sind acht Jaguar-Kerne verbaut, einzig das Design wurde per Shrink verkleinert. Hersteller, Prozess, Die-Size und Transistor-Anzahl wollte Cerny nicht kommentieren. Er sagte aber, dass das ohnehin bald der Teardown von Chipworks aufzeigen würde. Die CPU-Kerne der Playstation 4 Pro laufen mit 2,1 statt 1,6 GHz und im PS4-Modus ebenfalls mit der niedrigeren Frequenz. Die Architektur ist bewusst identisch, ansonsten könnten bei bisherigen Spielen Timing-Probleme auftreten und zu Fehlern führen.

Stattdessen nutzt Sony die um 31 Prozent gestiegene Taktrate auf zwei Arten: Bei Titeln mit auf 30 oder 60 fps begrenzter Bildanzahl wird diese stabiler gehalten, bei solchen mit nach oben hin offener Bildrate kann diese höher ausfallen. Gerade CPU-lastige Spiele mit fester Bildanzahl sollen daher in Situationen mit vielen Spielfiguren flüssiger laufen statt kleinere Einbrüche bei der Leistung aufzuweisen. Das soll die Steuerung verbessern.

Wie gehabt teilen sich die Grafikeinheit und der Prozessor ein gemeinsames Interface, das 256 Bit breit ist. Um der höheren Geschwindigkeit gerecht zu werden, setzt Sony auf schnelleren GDDR5-Speicher. Der überträgt 218 statt 176 GByte pro Sekunde und fasst nominell 8 GByte. Spieleentwickler können bei der Playstation 4 Pro jedoch ein halbes GByte mehr davon nutzen. Der Trick ist 1 GByte DDR3-Speicher, den Sony an die Southbridge angebunden hat.

Während bei der regulären Playstation 4 Anwendungen wie Netflix im GDDR5-Speicher abgelegt werden, werden sie bei der Playstation 4 Pro in den DDR3-Speicher geschoben. Somit sind zusätzliche 512 MByte verfügbar, die aber für größere Buffer und Render-Targets genutzt werden. Höher auflösende Texturen sollten Spieler auf der Playstation 4 Pro nicht erwarten, da vorhandene Assets verwendet werden. Die 4K-Benutzeroberfläche, die ein bisschen mehr Platz als das 1080p-UI belegt, wird im GDDR5-Speicher vorgehalten.

Wer mitgerechnet hat, wird bemerkt haben, dass die GPU-Leistung mehr als verdoppelt wurde, die Datentransfer-Rate aber nur um knapp ein Viertel gestiegen ist. Hier kommt einer der Kniffe der Grafikeinheit der Playstation 4 Pro zum Tragen: Sie basiert auf einer Architektur, die sich Neuerungen von AMDs Polaris - bekannt von der Radeon RX 480 - zunutze macht. Dazu gehört die Delta Color Compression, die Farbwerte komprimiert und so das Interface entlastet. Mehr Daten passen dadurch allerdings nicht in den Videospeicher, da die Stärke der Kompression vorab nicht bekannt ist.



Vega-Architektur schon heute

Auch der Primitive Discard Accelerator hat es in die Playstation 4 Pro geschafft. Er verwirft verdeckte Dreiecke, die kleiner als ein Pixel sind und beschleunigt so die Berechnungen. Das gilt vor allem, wenn die mittlerweile selten implementierte Multisampling-Kantenglättung verwendet wird. Aber auch die eigene Spielfigur kann so deutlich flotter gerendert werden, selbst ohne MSAA. Der Primitive Discard Accelerator arbeitet dann besonders effizient, wenn Tessellation zum Einsatz kommt. Die Auslastung der Compute Units wird obendrein gesteigert, weil zwei FP16-Berechnungen statt einer in ein Register passen, was eine erhöhte Anzahl an Wavefronts bedeutet.

Sony arbeitet so eng mit AMD zusammen, dass die Entwickler Zugriff auf Architekturverbesserungen haben, die erst im kommenden Jahr mit der Vega-Generation für PCs verfügbar sein werden. Die Grafikeinheit kann zwei FP16-Operationen statt einer FP32 erledigen, was die theoretische Rechenleistung verdoppelt. Verwendungszwecke seien Normalen oder Texturkoordinaten. Generell hänge der Leistungszuwachs aber von der Engine und dem Spiel ab - daher wollte Cerny keine absoluten Zahlen nennen.

Der überarbeitete Work Distributor kann die für Tessellation notwendigen Patches auch über mehrere Compute Units hinweg berechnen, was in Szenen mit vielen kleinen Objekten einen drastischen Geschwindigkeitsschub bei der Geometrie-Berechnung bedeute. Anders als die Möglichkeit, zwei FP16-Operationen pro Takt zu erledigen, werde der Work Distributor bereits in einigen Spielen eingesetzt. Die verdoppelte FP16-Leistung sei eher für die zweite Generation an Titeln für die Playstation 4 Pro interessant.

Die wohl spannendste Neuerung der Sony-Konsole sind zwei in die Hardware implementierte Optionen, um Spiele in 4K-UHD zu rendern. Nativ fehlt der Playstation 4 Pro das letzte Quäntchen Leistung, um nativ 3.840 x 2.160 Pixel bei anspruchsvollen Titeln bei der gewünschten Bildrate und Grafikqualität zu berechnen. Obendrein sind heutige Kantenglättungsmethoden nicht mängelfrei, das zeigen kontrastbasierende Post-Processing-Filter wie FXAA oder das auf den Tiefenpuffer vertrauende Multisampling.

Auch die heutzutage gerne verwendeten temporalen Kantenglättungsmodi funktionieren nur eingeschränkt, weshalb Sony mit AMD zusammen den ID Buffer entwickelt hat. Der enthält alle Informationen von Objekten und liegt in der gleichen Auflösung wie der Depth- und der Stencil-Buffer vor. Somit sind die Koordinaten aller Dreiecke auch über mehrere Frames hinweg bekannt, was in neuen Render-Möglichkeiten mit Fokus auf 4K-UHD resultiert.

Das Wort Upscaling erwähnt Cerny übrigens nur kurz, als er erklärt, dass es genau das nicht sei. Lediglich wenn intern mit 1800p statt 2160p gerendert wird und die dedizierte Scaler-Hardware dieses Bild für die Ausgabe vorbereitet, erfolgt ein Upscaling auf 4K-UHD. Die eigentliche Vorgehensweise ist jedoch weitaus komplexer und wird dem Begriff daher nicht gerecht. Cerny erläuterte zwei Varianten: Geometry-Rendering und Checkerboard-Rendering.



Das kann Checkerboard-Rendering

Geometry-Rendering ist die simplere, schneller zu implementierende Variante mit schlechterer Qualität. Es werden weiterhin 1080p-Render-Targets und Farb-Samples verwendet (also 1/4 von 2160p), die Tiefeninformationen entsprechen 4K-UHD. Verglichen mit Upscaling, wie es Microsoft bei der Xbox One S umsetzt, verbessert sich die Qualität der Geometrie und von Alpha-Tests deutlich. Gerade feine Strukturen wie Gesichter, Vegetation oder Zäune profitieren sichtlich. Da die Textur- und Specular-Auflösung aber nicht gesteigert wird, sieht das Bild trotz 4K-Ausgabe verwaschen aus und flimmert.

Checkerboard-Rendering ist keine grundsätzlich neue Idee. Ubisoft Montreal hat das in Software bereits für Rainbow Six Siege umgesetzt (PDF). Durch den bei der Playstation 4 Pro integrierten Object-ID-Buffer erreicht Sony jedoch eine höhere Qualität. Ausgangsbasis ist eine halbierte Achse, etwa 1.920 x 2.160 als Render-Target statt 3.840 x 2.160 Pixel. Der Tiefenpuffer liegt erneut in voller Auflösung vor, die reduzierten Farb-Samples werden für jeden Pixel rotiert. Da der Object-ID-Buffer wertvolle Daten liefert, lässt sich die fehlende Information ziemlich gut rekonstruieren. Obendrein klappt besagte temporale Kantenglättung besser, wir sehen viel weniger Artefakte.

Verglichen mit Geometry-Rendering weist Checkerboard-Rendering eine nochmals detailliertere Vegetation, schärfere Texturen und feinere Speculars auf. Nachteile sind unter anderem die höhere Pixelshader-Last, dafür ist das Resultat qualitativ eindeutig hochwertiger. Verglichen mit 1530p sieht 2160p-Checkerboard besser aus und läuft schneller. Folgerichtig setzen die meisten Spiele, welche für die Playstation 4 Pro angepasst wurden, auf Checkerboard-Rendering oder eine ähnliche Idee. Titel wie Spiderman nutzen eine proprietäre Technik mit vier Millionen Jitter-Samples pro Frame. Entwickelt hat sie unter anderem Timothy Lottes, der auch FXAA mit erfunden hat.

Call of Duty Infinite Warfare, Days Gone und Horizon Zero Dawn verwenden 2160p-Checkerboard, Deus Ex Mankind Divided dynamisch 1800p- bis 2160p-Checkerboard. Gran Tourismo Sport, Infamous First Light, Killing Floor 2, Mass Effect Andromeda und Watch Dogs 2 haben 1800p-Checkerboard implementiert. Shadow of Mordor hingegen wird nativ in 1728p bis 1925p gerendert und auf 4K-UHD hochskaliert. Rise of the Tomb Raider läuft ebenfalls via 2160p-Checkerboard, hat aber noch zwei weitere Modi implementiert.

Da 4K-UHD-Fernseher bisher wenig verbreitet sind, sehen für die Playstation 4 Pro angepasste Spiele auch auf einem 1080p-TV besser aus. Tomb Raider wird mittels Supersampling dargestellt, also mit Vollbildkantenglättung, oder im 60-fps-Modus statt mit 30 Bildern pro Sekunde wie auf der Playstation 4. Das macht den Spielablauf geschmeidiger und die Steuerung präziser, daher wird das auch für Nioh von Team Ninja so umgesetzt. Mass Effect Andromeda wiederum verzichtet auf Supersampling, wird aber laut Cerny mit "High Fidelity" gerendert - was wohl mehr und schickere Effekte sowie Shader bringt.



Bessere Optik auch in VR

Wir konnten uns vor Ort anhand von Days Gone, Horizon Zero Dawn, Infamous First Light und Rise of the Tomb Raider anschauen, wie Checkerboard-Rendering, natives 4K-UHD und aufgewertetes 1080p aussehen. So skeptisch wir bei 2160p-Checkerboard waren, so überzeugend ist es. Auf zwei identischen Sony ZD9 (65 Zoll) und identischen Kameraperspektiven ist der Unterschied von einem typischen Sitzabstand kaum zu erkennen. Ein Beispiel: Auf dem Baseball-Kappenschirm von Protagonist Deacon St. Johns wabert das Moiree auffälliger und die Nadelbäume in der Distanz flackern mehr.

Um es anders auszudrücken: 2160p-Checkerboard ist viel näher an nativem 4K-UHD dran als an 1080p mit Upscaling und daher eine wichtige Funktion der Playstation 4 Pro. Die durch Supersampling, mehr Details oder höhere Framerate aufgewerteten 1080p-Modi der einzelnen Spiele bringen ebenfalls eine sichtliche Verbesserung der Bild- oder Grafikqualität. Zum Start hat Sony bisher 45 Titel angekündigt, welche für die Playstation 4 Pro optimiert wurden - die Liste reicht von Battlefield 1 über Robinson bis hin zu World Of Tanks.

Robinson ist, wie Gran Tourismo Sport, ein Spiel für das Playstation VR und auch hier hat die Playstation 4 Pro Vorteile: Den Studios steht es frei, statt etwa 60 fps mit Reprojection, auf 120 Hz auch native 90 fps anzubieten oder bei gleicher Framerate die Bildqualität zu steigern. Crytek setzt für Robinson auf Variable Rate Shading, der Entwickler selbst spricht von Foveated Rendering: Die Bildmitte wird mit voller Auflösung berechnet, die Randbereiche mit einer niedrigeren. Das fällt durch die Verzerrung im Playstation VR kaum auf. Die Playstation 4 Pro beherrscht Variable Rate Shading in Hardware und rendert Robinson intern mit weitaus höherer Auflösung.

Keine Besonderheit mehr ist High Dynamic Range, denn auch die beiden bisherigen Playstation 4 unterstützen HDR10 per Firmware-Update. Der weitaus höhere Helligkeits- und Kontrastumfang sieht exzellent aus, in Gran Tourismo Sport kann das Ferrari-Rot so dank 10-Bit-Farbtiefe erstmals überhaupt korrekt auf einem Fernseher wiedergegeben werden. Gerade in 4K-UHD gefällt HDR, da die zusätzlichen Pixel die Abstufungen feiner wirken lassen. Da die meisten TV-Geräte aber nur unter 2.000 Nits maximale Helligkeit erreichen, sollten Spieler sich darauf einstellen, dass High Dynamic Range bei Tageslicht im wahrsten Sinne des Wortes verblasst.

Sony hat mit der Playstation 4 Pro definitiv eine interessante Konsole geschaffen. Sie stellt bewusst keine neue Generation dar, sondern ein Upgrade für die Spieler, die eine bessere Bild- und Grafikqualität wünschen. Uns hat vor allem das Checkerboard-Rendering beeindruckt, was auf der Custom-Hardware der Playstation 4 Pro basiert. Wir waren daher in London gespannt, die Konsole selbst auszuprobieren - was derzeit schon passiert.  (ms)


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