Xbox Series Xの技術仕様が公開、野心的な設計が目を惹く

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Xbox Series X (Image credit: Microsoft)
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Microsoftは 3月16日、開発コードネーム“Project Scarlett”こと「Xbox Series X」の詳細な仕様を公開しました。発売は2020年末。

ネット上で冷蔵庫並にデカいんじゃないかとネタにされていたのを受けて、公式Twitterが冷蔵庫とのサイズ比較を投稿していてちょっと笑えた。

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ミドルクラスゲーミングPCよりも豪華な構成

公開されたスペックをまとめたのが以下の表。Xbox Wireの公式情報と、EurogamerのDigital Foundryが報じている(Micorosoft本社への取材で得た)詳細情報も参照しています。

Xbox Series X Complete Specs + Ray Tracing/Gears 5/Back-Compat/Quick Resume Demo Showcase!
仕様Xbox Series XXbox One XXbox One S
CPU8コア/16スレッド
3.66 GHz固定 (@ 16スレッド)
3.8 GHz固定(@ 8スレッド)
Zen 2アーキテクチャ(カスタム)
8コア / 8スレッド
2.13 GHz
Jaguarアーキテクチャ(カスタム)
8コア / 8スレッド
1.75 GHz
Jaguarアーキテクチャ(カスタム)
GPU52 CUs (3,328シェーダ)@ 1,825 MHz固定
カスタムRDNA 2
FP32演算性能: 12.155 TFLOPS
40 CUs (2,560シェーダ) @ 1,172 MHz
カスタムGCN(Polarisベース)
FP32: 6 TFLOPS
12 CUs (768シェーダ) @ 914 MHz
カスタムGCN
FP32: 1.4 TFLOPS
プロセスTSMC 7nm Enhanced (N7+)TSMC 16nmFF+TSMC 16nmFF
SoCダイサイズ360.45 mm2366.94 mm2227.1 mm2
メモリ / メモリバス16 GB GDDR6 (2 GB × 6 + 1 GB × 4構成)
320-bit
12GB GDDR5
256-bit
8GB DDR3, 32MB ESRAM
256-bit
メモリ帯域幅GPU Optimal (10GB): 560 GB/s
Standard (6GB): 336 GB/s
326 GB/s68 GB/s
ESRAM: 219 GB/s
内蔵ストレージ1TBカスタムNVMe SSD2.5″ 1TB HDD2.5″ 1TB HDD
I/Oスループット2.4 GB/s
圧縮転送時: 4.8 GB/s
120 MB/s120 MB/s
ストレージ拡張機能1TB拡張カード(内蔵ストレージと同種)
外部ストレージ対応USB 3.2外付けHDDUSB外付けHDDUSB外付けHDD
光学ドライブ4K UHD-BD4K UHD-BD4K UHD-BD
ポートUSB Type-A × 3
HDMI 2.1出力
RE-45 (有線LAN)
USB 3.0 × 3
HDMI 2.0b出力
HDMI 1.4入力
S/PDIF
RE-45 (GbE)
USB 3.0 × 3
HDMI 2.0b出力
HDMI 1.4入力
S/PDIF
RE-45 (GbE)
サイズ (W × D × H) / 容積151 × 151 × 301 mm
6.86 L
240 × 300 × 60 mm
4.32 L
229 × 298 × 63.5 mm
4.41 L
重量4.45 kg3.69 kg2.9 kg

ざっと見ても分かる通り、発売時点で型落ち感のあった旧製品と違い、2020年のゲーミングマシンとして十分な水準になった。ここまで来るとBTOショップなどでミドルクラスの括りで売られているゲーミングPCよりも高性能ですね。

大きさは“ゲームキューブ2台分+”、内蔵電源はハイパワーに

本体サイズを歴代Xbox Oneシリーズと比較したDigital Foundryの動画によれば、大体「ゲームキューブ2台 + ちょっと(高さ)」の大きさだそうで、見た目の印象よりはコンパクトかも。

DF Direct: Hands-On With Xbox Series X + Impressions + Xbox One X Size Comparisons!

前面はUSBが1ポートとBDドライブのスリット、電源ボタン。ポート類は基本的に背面に集約されている。

背面 (Image credit: Microsoft)

冷却機構については細かい情報は見かけなかったものの、SoCヒートシンクにはベイパーチャンバーが使われている模様。底面吸気でトップのファン1発で排気する設計は、かつてのMac Proを思い出す。

電源については、 Digital Foundryが披露されたバージョン(製品版ではない)で200 – 220 V / 2.2 Aの可変出力仕様で、Xbox One Xの200 – 220 V / 1.3 Aから電源容量は70%増えている。

プロセスルールの微細化でほぼ同サイズのSoCに倍のトランジスタを実装

マザーボードは2枚に分割されており、 ヒートシンクを兼ねた金属製シャーシを挟むように配置されている。

内部構造。マザーボードは2枚に分割されヒートシンクを兼ねた金属製シャーシを挟むように配置されている (Image Credit: Microsoft)

Xbox Series Xでは、Xbox Oneシリーズと同様にCPUとGPUを1チップに統合しSoC (System-on-a-Chip)として搭載する。

製造プロセスは7nm Enhancedで、多分TSMCのN7Pプロセスのことを指している。 SoCダイサイズは360.45 mm2 で、合計トランジスタ数は153億。プロセスルールの微細化で、Xbox One XのSoC (16nmFF)から倍増したトランジスタをほぼ同サイズのチップに詰め込んでいる。

CPUはXbox One Xの4倍の性能

CPUコアには、デスクトップ向けのAMD Ryzen 3000シリーズCPUと同じAMDの「Zen 2」アーキテクチャをベースにカスタムしたコアを搭載。動作クロックはXbox One Xから1.5 GHz以上高くなっている。

Ryzen 3000シリーズには存在しなかった76MBのSRAMが追加されている(SoC全体で76MBなので多分CPU用は一部)ため、恐らくRyzen 3000シリーズと比べてL3キャッシュが減っている。

MicrosoftはCPUについて「シングルスレッドとCPU全体の両方でXbox One X比で4倍高速」と謳っていますが、クロックの上昇分に加えて、アーキテクチャ上もJaguarからZen 2でかなり大きなIPC(Instructions Per Clock: クロックあたりの命令実行数)の向上があるため、4倍になるかはともかく、処理能力が飛躍的に向上しているのは事実でしょう。

ついでに、デスクトップ向けのRyzen 3000シリーズはArF液浸露光の7nmプロセス(TSMC N7)製造のため、N7+のXbox Series XのCPUでは省電力になっていると思われる。

動作クロックは固定でSMTに対応

コア数はXbox One Xと同じく8コアのままですが、新たにSMT (Simultaneous Multi-Threading)に対応しており、16スレッドでの並列処理が可能になった。

ただし、1コアはシステム(OSとかフロントエンド)の処理に専有されるため、ゲームの処理に使えるのは7コア/14スレッドになる。

動作クロックはSMTのオン/オフで異なり、16スレッド時は3.66 GHz、8スレッド時は3.8 GHzで動作する。クロックは変動せず完全に固定で、Ryzenシリーズの「Precision Boost」のように温度が低ければさらにブーストするといったような機能はなく、逆にクロックが下がることも無い。

SMTのオン/オフはゲーム側で選択できる(遊ぶゲームによって動作スレッド数が変わる)とのことで、ユーザーが任意に変更することは出来ない模様。

Andrew Goossen氏(Micorosoftテクニカルフェロー/Xboxシステムアーキテクト)は、「これまでの家庭用ゲーム機タイトルは基本的に7スレッド動作のプラットフォームで動かすことを想定して開発されてきたため、ゲーム開発者もしばらくはSMTを無効化した状態で開発するだろう」と考えているとのことで、実際、現時点でXbox Series X向けのゲーム開発を行なっている開発者の大多数は、SMTを無効にして3.8 GHzモードでゲームを動かすことを選んでいるらしい。

ゲームの場合、事前に計算できる部分よりもインプット(プレイヤーの操作)ありきで処理が始まる部分が大きく、並列で同時に処理できるタスクが限られる事情や、ゲームに限らずアプリ開発ではマルチスレッド処理の活用に四苦八苦しているという話も聞くので、そんなものか……

とは言え、近年のオープンワールド系ゲームで、街中の群衆などゲーム内AIの処理が多数走るシーンでCPUコア数が少ないと処理が追いつかずにフレームレートが低下するという例もあるので、スレッド数が増えることでゲームが得られるメリットはある。

マルチプラットフォーム展開が当然となった今、動作の基準となる家庭用ゲーム機が16スレッドまで増強されれば2021年以降のゲームはマルチスレッド対応が進むと思われ、そうなればPCゲーマーとしても喜ばしい。

Xbox One Sゲームなら4つ同時に動かせる

Eurogamerによれば、Xbox Series XのSoC (Project Scarlett SoC)は、現行のxCloudサーバーで使われているXbox One SベースのSoCの後継になるProject Scarlettサーバーでも全く同じSoCが使われる予定で、そのためにGDDR6メモリのECCエラー訂正機能(実際にはECC相当機能の独自実装)や仮想化機能も組み込まれている。

そしてProject Scarlett SoCではXbox One Sゲーム4セッションを同時に実行可能で、内蔵ビデオエンコーダーは現行xCloudサーバーの外部エンコーダーよりも6倍高速とのこと。こりゃ凄い。

GPUはGeForce RTX 2080に匹敵する性能?

GPUはRDNA 2アーキテクチャベースのカスタムコアを搭載。動作クロックは1,825 MHz、52コンピューティングユニット(CUs)、3,328シェーダーで単精度浮動小数点(FP32)演算の性能は12.155 TFLOPSを謳う。

チップ上は56 CUsですが歩留まり確保のため4つは無効化されているとのこと。クロックについてはCPUと同じく1,825 MHz固定で、状況によらず変動しない。

アーキテクチャも異なるのでただFP32性能だけ比べてもあまり意味はないんですが、12 TFLOPSというとRDNA 1のRadeon RX 5700 XT (9.754 TFLOPS)より速く、GeForce RTX 2080 SUPER (11.15 TFLOPS)に近い値。Xbox One Xと比べて2倍、Xbox One S比で8倍以上なので大幅に高速化している。

Goossen氏によれは、MicorosoftはXbox One X比で2倍に性能を引き上げることを最低目標に据えて開発を進めていたそうで、ゲーム動作以前の段階(FP32のFLOPS)で2倍の性能を確保した上で最適化を図っているとのこと。

最適化せずに単純に移植されたGears 5のXbox Series X版(動作デモ)の結果では、PC版のウルトラプリセット相当のグラフィック設定に加えて、改善版のコンタクトシャドウとPC版にも存在しないUnreal Engine 4のレイトレーススクリーンスペースグローバルイルミネーション(ソフトウェアベース)を有効にした状態で動作。Xbox One Xで30fpsだったカットシーンは、60fpsで動いたらしいので、確かに2倍は速い。

動作フレームレートは100 fps超で、Gears開発チームはマルチプレイヤーモードで120 fps動作モードの実装を検討中。さらにEurogamer曰く、この最適化前の移植デモの段階でGeForce RTX 2080搭載PCと“ かなり近い ”ベンチマーク結果だそうで、実際のゲームでそこまでfpsが出ているのは注目したい。

8INT/4INTもハードウェアサポートで高速処理

半精度浮動小数点(FP16)演算は2倍速超(24 TFLOPS超)で処理できるほか、マシンラーニングについてもNVIDIAのTuringアーキテクチャのように専用コア(Tensorコア)の実装まではしないものの、処理を想定したハードウェアサポートを追加。

結果、8-bit整数演算(8INT)で49 TOPS、4-bit整数演算(4INT)で97 TOPSの処理性能があるとのことで、NVIDIAのDLSSのように今後利用が進みそうなゲームでのマシンラーニング処理も対応出来る余地はありそう。

メッシュシェーダも実装

Turingと同じくメッシュシェーダも搭載されており、これでようやくメッシュシェーダのゲームへの実装が始まる、かもしれない。

ハードウェア負荷軽減の要求が厳しい家庭用ゲーム機が対応すれば、テッセレーションの二の舞は避けられるんじゃないかな……

ハードウェアアクセラレーションレイトレーシング対応

RDNA 2ではハードウェアレベルでレイトレーシングに対応し、DirectX Ray Tracing (DXR)のTier 1.1を完全サポートする。具体的にはBVH (Bounding Volume Hierarchy)構造の生成をハードウェアアクセラレーションする(TuringのRTコアと同じ)。

Xbox Series XのGPUでは秒間最大3,800億の交差をマッピングでき、Goossen氏によれば「レイトレーシングをシェーダで処理した場合13 TFLOPS以上の演算負荷になるが、ハードウェアアクセラレーションによって処理はシェーダから完全にオフロードされ、シェーダはレイトレースと並行して処理を進められるため、GPUはレイトレーシング中25 TFLOPSを超える性能を発揮できる」とのこと。

実際、MinecraftのDXR技術デモがXbox Series Xで動いていたそう。Minecraft DXRデモはラスタライズ要素がほぼゼロ(月と空はラスタライズ)で、全てパストレースによって描画処理を行なっているため、確かにリアルタイムレイトレーシングが家庭用ゲーム機で動いている。凄い時代だ。

メモリはVRAM 10GB + メイン6GBの構成

メモリ周りは野心的な設計で、GDDR6メモリを2GBチップ×6の12GBと1GBチップ×4の4GBで合計16GBという仕様。

クロックは14 Gbps相当、バス幅は320-bitですが、16 GB中10 GBが560 GB/sの「GPU Optimal」、6 GBが336 GB/sの「Standard」という非対称なメモリプールに分けられている。GPU Optimalは名前の通りVRAMに相当する領域で、Standardはメインメモリに相当する。

OSとフロントエンドシェルがStandardプールの内2.5 GBを消費するため、ゲームは10 GBのGPU OptimalプールとStandardの3.5 GB/sを利用できる。

SoCを囲むように配置された緑に色付けされたパーツがGDDR6メモリのチップ (Image Credit: Microsoft)

ついにHDDを捨てSSDを搭載

内蔵ストレージはようやくHDDからSSDに進化。SATA接続SSDをスキップして容量1 TBのNVMe SSDになった。

転送速度は2.4 GB/sなので、恐らくPCI Express Gen 3 x4接続。ファイルサイズがどんどん膨れ上がっているAAAタイトルではHDDの遅さが強烈なボトルネックだったので、SATA SSDをスキップしたのは正解かもしれない。

圧縮転送で実効速度を2倍に高速化

ストレージについては周りでは圧縮転送機能を搭載するのも大きな特徴。圧縮時の転送速度は4.8 GB/sで、2倍に向上している。

一般的にゲームデータの圧縮にはzlibが使われているが、Xbox Series Xではデータの大半を占めるGPUテクスチャの圧縮用に新たに「BCPack」と呼ぶ圧縮システムが実装され、 zlibとBCPackの展開処理をCPUからオフロードするためのハードウェアアクセラレータが組み込まれている。

DirectXのファイルアクセス周りも拡張され、「DirectStorage」として高速ストレージ環境におけるゲームデータの転送を大幅に効率化されている。

Goossen氏によれば、SSDのデータ転送速度に合わせて圧縮された4Kテクスチャを展開しようとした場合、CPUの3コアが展開処理で消費され、I / Oのオーバーヘッドのためにさらに2コアが消費されてしまうとのこと。DirectStorageではその処理負荷をコア1つ分の使用率10% (およそ1/5くらい?)にまで抑えられるという。

独自規格のカードで内蔵ストレージの拡張に対応

これまでのXboxシリーズにない要素として、内蔵ストレージの拡張に対応している。

内蔵のストレージは1 TB NVMe SSDですが、Seagateが供給元になって独自規格のNVMe SSDカード(同じく1 TB)を作ったようで、外部ストレージではなく内蔵ストレージを拡張できるとのこと。

独自規格なので市販のM.2のNVMe SSDと同じような価格帯で買えそうには無いですが、高速ストレージを増やせるのは積みゲーマーには嬉しい。

控え目に見積もっても10万円は超える

本体ハードウェア関連に限定してまとめるとこんな感じですが、似たような性能のパーツでPC一式を組んだらどう足掻いても15万円は超えてしまうので、Microsoftが頑張ったとしてもアメリカ価格$1,000、日本価格¥129,800とかになりそう。

悲しいけれど日本国民の懐事情の厳しさを考えると高すぎて売れない気配が……その辺りを踏まえ、どこまで戦略的な価格設定にしてくるか要注目です。

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