마이크로소프트(Microsoft)가 차세대 콘솔 게임기 Xbox 시리즈 X의 공식 스펙을 발표했다.
마이크로소프트는 작년 12월 더 게임 어워드 2019에서 Xbox 시리즈 X를 최초 공개하고 지난 달 하드웨어 특징 및 성능 정보 일부를 알렸지만 자세한 내용은 북미 최대 게임쇼 E3에서 공개할 예정이었는데, 코로나19 바이러스 확산으로 E3 게임쇼가 취소되자 16일(현지시간) Xbox Wire 채널을 통해 E3에서 발표할 Xbox 시리즈 X에 관한 정보들을 전부 꺼내놓은 것이다.
Xbox Wire는 최근 기술 전문가 Autin Evans 및 Digital Foundry와 함께 Xbox 시리즈 X 개발팀과 콘솔의 커스텀 프로세서 및 레이턴시 솔루션에서 이전 버전과의 호환성 및 시각적 향상에 이르기까지 모든 것을 논의했다고 말했다.
Xbox 시리즈 X 디자인 초기에 개발팀은 가장 강력한 Xbox를 만들기로 결정하고 차세대 콘솔에서 '파워'를 정의하는 방법에 대한 토론을 벌였다고 한다. 개발팀은 게임 개발자에게 타협없는 4K 60fps로 게임을 실행할 수 있는 차세대 콘솔을 구축해야 한다는 것을 알고 있으며, 또한 가장 까다롭고 경쟁이 치열한 게임에 최대 120fps를 지원하는 등 콘솔에서 불가능하다고 생각한 수준의 성능을 제공해야 했다.
개발팀은 해상도와 프레임 속도가 타이틀 개발자에게 가장 적합한 창의적 결정이라고 믿었지만 시스템이 가장 큰 블록버스터, 경쟁적인 e스포츠 및 혁신적인 인디 개발자의 요구를 지원할 수 있기를 원했다. 이러한 요구를 지원하기 위해 개발팀은 15년 전 Xbox 360 때부터 협력하고 있는 칩 제조사 AMD와 장기적인 파트너십을 강화했다.
Xbox 시리즈 X에는 AMD Zen2 아키텍처 기반 8코어 CPU와 AMD RDNA2 클래스 GPU로 구동되는 커스텀 프로세서가 탑재된다. TSMC 7nm+ 공정으로 만들어지는 커스텀 프로세서는 15.3억개의 트랜지스터에 다이 크기는 360.45mm2로 16nm 공정의 Xbox One X 칩셋(366.94mm2)보다 트랜지스터 밀도는 2배로 늘었으나 크기는 오히려 작아졌다.
AMD 최신 라이젠 시리즈 프로세서에도 사용되는 Zen2 아키텍처를 바탕으로 SMT 기능을 지원하는 8코어 16스레드 CPU가 들어갔고, Xbox 기본 운영체제와 프론트엔드 쉘(Shell)을 실행하기 위해 1코어(또는 2스레드)가 사용된다고 한다.
특히, CPU 성능은 현세대 Xbox One X에 비해 단일 코어 및 전체 처리 성능에서 4배 향상을 약속하고 있으며 최대 3.8GHz 동작 클럭에 올코어 환경에서도 3.6GHz까지 올라가고 시스템 부하나 발열로 인한 스로틀링도 없다고 한다.
PC 기반 테스트에서는 SMT 기능을 활성화하면 멀티 스레드 활용도가 높은 애플리케이션에서 최대 30% 이상 추가 성능을 제공할 수 있지만, Xbox 시리즈 X 출시 타이틀들은 개발자들이 SMT를 비활성화하고 더 높은 3.6GHz 클럭 모드를 선택할 거라고 한다.
게임 개발자의 관점에서 현재 게임이 7코어 7스레드 환경으로 설정된 배포판(개발킷)으로 실행되고 있기 때문에 8코어 동작(1코어는 OS용으로 핟당)을 고수할 것이며, 개발자들이 7코어 14스레드를 쓰려면 보다 효과적으로 워크로드를 나눠야 하기 때문에 Xbox 시리즈 출시 초기에는 대다수 개발자들이 SMT를 비활성화하고 더 높은 클럭을 사용할 거라는 이유다.
커스텀 프로세서 SoC 전체에 76MB SRAM을 사용하며 데스크탑 버전 Zen2 프로세서에 들어가는 거대한 용량의 L3 캐시는 다소 줄었든 것으로 알려졌다.
또한 현재 사용 중인 Xbox One S 기반 xCloud 모델을 대체할 프로젝트 스칼렛 클라우드 서버에 Xbox 시리즈 X와 동일한 프로세서를 사용한다. 이를 위해 마이크로소프트와 AMD는 성능 저하 없이 GDDR6에 대한 오류 수정 기능을 자체 솔루션으로 내장했으며, 가상화 기능도 포함되어 있다.
실제로 Xbox One X보다 CPU 성능이 4배 향상된 Xbox 시리즈 X 프로세서와 동일한 칩이 들어가는 프로젝트 스칼렛 클라우드 서버는 동시에 4개의 Xbox One S 게임 세션을 실행할 수 있으며, 현재 xCloud 서버에 사용되는 외부 인코더보다 6배 빠른 새로운 내부 비디오 인코더를 포함한다.
GPU는 일전에 공개한 대로 최대 12 테라플롭스(RFLOPS) 연산 성능을 가진 커스텀 RDNA2 GPU를 쓴다. 52개의 컴퓨트 유닛(52 CU)에 할당된 3,328개의 쉐이더를 통해 이 같은 성능을 제공하고, GPU 동작 클럭은 1.825GHz (1825MHz)로 역시 CPU처럼 동작 클럭이 일정하고 부스트 클럭은 없다고 한다.
Xbox One X 대비 최소 2배 높은 GPU 성능으로 4K 60fps 및 120fps를 지원하기 위해 처음부터 12 테라플롭스를 목표로 설정했다. GPU에 들어가는 컴퓨트 유닛은 실리콘 레벨에는 56개가 들어가지만, 생산 수율을 높이기 위해 4개를 비활성화했다고 한다. 만약 같은 조건에서 56개의 컴퓨트 유닛이 모두 사용됐다면 GPU 성능은 13 테라플롭스로 7.7% 가량 더 올라갔을 것으로 보인다.
Xbox 시리즈 X의 가장 큰 기능 중 하나는 하드웨어 가속 다이렉트엑스 레이트레이싱(DirectX Raytracing, DXR)을 지원하는 것이다. 이 기능은 이전 기술보다 더 정확하게 실시간으로 빛과 소리의 속성을 시뮬레이션한다. 마인크래프트(Minecraft) 같은 단조로운 그래픽을 가진 게임도 레이트레이싱을 사용하면 현실적인 조명과 그림자를 보여준다.
만약 하드웨어 가속 없이 쉐이더에서 DXR을 처리할 경우 Xbox 시리즈 X GPU 연산 성능을 넘어서는 13 테라플롭스 이상이 필요했겠지만, Xbox 시리즈 X에는 이 작업이 전용 하드웨어로 오프로드 되어 쉐이더는 전체 성능과 동시에 병렬로 동작해 레이트레이싱 중에 25 테라플롭스 이상의 성능을 효과적으로 활용할 수 있다고 한다.
데모 시연용으로 소개된 기어즈5 (Gears 5)도 Xbox 시리즈 X의 새로운 기능을 거의 사용하지 않은 기본 성능 만으로 인상적인 결과를 보여준다. 에픽게임즈와 협력해 언리얼 엔진4 (UE4)를 Xbox 시리즈 X로 작동하는 기어즈5를 2주 만에 만들었는데, 모든 내부 품질 프리셋을 PC 버전 울트라 수준과 동등하게 향상시켰으며, 개선된 접촉 그림자와 UE4의 새로운 소프트웨어 기반 광선 추적 스페이스 공간 글로벌 조명(GI)을 추가했다. 여기에 Xbox One X에서는 30fps으로 작동하던 컷신도 60fps으로 향상됐다.
Digital Foundry는 2주 만에 만든 최적화되지 않은 UE4 기반 Xbox 시리즈 X 데모가 이미 지포스 RTX 2080과 매우 유사한 성능을 제공한다는 벤치마크 결과를 봤다고 밝혔다.
AMD RDNA2 아키텍처는 엔비디아 튜링 아키텍처처럼 별도로 구성된 머신 러닝용 텐서 코어를 탑재하지 않았으나 마이크로소프트와 AMD는 표준 쉐이더 코어를 기반으로 새롭고 효율적인 솔루션을 개발했으며, 12 테라플롭스 이상의 FP32 컴퓨팅을 사용해 FP16보다 2배의 성능을 제공한다고 설명한다. 또한 튜링 아키텍처와 유사한 메시 쉐이더가 RDNA2에 통합되어 폭발적인 지오메트릭 디테일 개선이 가능한 잠재력을 갖췄다.
Xbox 시리즈 X에는 16GB GDDR6 메모리가 들어가는데 일반 PC에 비해 메모리 구성이 조금 다르다. 메인보드에 14Gbps 속도로 동작하는 GDDR6 모듈이 320-bit 메모리 인터페이스로 구성되는데, 6개의 2GB 칩과 4개의 1GB 칩이 달려있다.
메모리 성능도 비대칭이다. 물리적으로 10GB 메모리는 560GB/s 대역폭으로 GPU에 최적화되고, 나머지 6GB 메모리는 336GB/s 대역폭을 가진 표준 메모리다. GPU 최적화 및 표준 메모리는 CPU 오디오와 파일 입출력(IO)에 대해서는 동일한 성능을 제공하며 GPU에서만 차이점을 볼 수 있다.
메모리 할당 방식과 관련해 게임은 총 13.5GB 메모리를 얻을 수 있는데, GPU 최적화 메모리 10GB와 표준 메모리 가운데 3.5GB를 할당받는다. 운영체제 및 프론트엔드 쉘에서 2.5GB 메모리를 남긴다.
Xbox One X의 경우 384-bit 메모리 인터페이스를 사용했지만, Xbox 시리즈 X는 14Gbps 속도의 GDDR6 메모리를 써서 320-bit 인터페이스에서도 GPU 최적화 메모리 뿐만 아니라 표준 메모리조차 Xbox One X보다 높은 메모리 대역폭을 제공한다.
Xbox 시리즈 X에 들어가는 저장장치 스펙도 공개됐다.
AMD Zen2 기반 SoC에는 PCI Express 4.0 인터페이스 지원이 포함되는데, Xbox 시리즈 X에 들어간 커스텀 프로세서 역시 PCIe 연결을 지원한다.
하드웨어 레벨의 커스텀 NVMe 드라이브는 이전에 봤던 SSD들과는 매우 다르다. 일반 M.2 NVMe SSD보다 짧은 독자 규격으로 일반 사용자들이 보기에는 메모리 카드와 비슷하게 보인다. 3.8W 전력을 소비하는 SSD 칩 발열을 관리하기 위해 히트싱크 역할을 하는 견고한 금속 구조로 무게도 더 나간다.
마이크로소프트는 독점 외장 1TB SSD 확장을 위해 씨게이트(Seagate)와 파트너십을 맺고 메모리 카드와 비슷한 독점 규격 형태의 외장 SSD를 만들었다.
개발팀은 많은 PC용 SSD가 발열이 높아질 때 성능을 줄여 온도를 관리하는 CPU/GPU식 스로틀링을 사용하고 있는데, 이는 일관된 성능이 콘솔 설계에 필수적이라고 믿는 마이크로소프트에게는 받아들일 수 없는 일이었다고 한다.
때문에 최신 PCIe 4.0 NVMe SSD처럼 5,000MB/s 가까운 고성능은 아니지만 발열로 인한 스로틀링 없이 일관된 2,400MB/s의 보장된 처리 속도를 제공한다.
빨라진 SSD 속도는 게임에서 사용할 수 있는 13.5GB 메모리 외에 스토리지를 메모리 확장용으로 쓸 수 있게 해준다. 스토리지에 저장된 게임 패키지가 기본적으로 확장 메모리가 되어 SSD에 저장된 100GB의 게임 에셋을 개발자가 즉시 액세스 할 수 있다. 마이크로소프트가 벨로시티 아키텍처(Velocity Architecture)라고 부르는 이 시스템에서 SSD 자체가 시스템의 일부다.
두 번째 구성 요소는 6GB/s 이상의 고속 하드웨어 압축 해제 블록이다. 이것은 CPU에서 압축 해제 작업을 가져오는 전용 실리콘 블록으로 SSD와 매칭시켜 압축 해제에서 병목 현상이 발생하지 않도록 해준다. 압축 해제 하드웨어는 일반 데이터에 Zlib를 지원하고 BCPack이라는 새로운 압축 시스템은 대부분의 게임 패키지 크기를 구성하는 GPU 텍스처 압축 해제 작업에 맞춰져 있다.
마지막 구성 요소는 DirectX 확장이다. 30년 이상 사용된 기존 파일 I/O 프로토콜은 SSD 속도에 맞게 압축해제 소프트웨어를 사용할 경우 3개의 Zen2 CPU 코어가 소비되고 IO CPU 오버헤드를 추가하면 또 다른 2개의 코어가 들어가 5개의 CPU 코어가 필요했겠지만, 새로운 DirectStorage는 단일 코어의 1/10로 CPU 사용량을 줄인다.
개발팀은 만약 전체 IO 속도에서 Xbox 시리즈 X와 동일한 성능을 가진 PC를 만들려면 총 13개의 Zen CPU 코어가 필요할 거라고 밝혔다. CPU 코어 가운데 7개는 윈도우 및 쉘용으로, 5개는 IO 및 압축해제 오버헤드용으로 사용된다.
마지막으로 시스템 메모리는 Xbox One S 기준으로는 16배 증가했지만 Xbox One X를 기준으로 하면 2배 향상된 것에 불과하다. 개발팀은 부족한 부분을 보완하기 위해 스토리지를 더 많이 사용하는 것 외에도 메모리 사용 방법을 최적화하는 프로세스를 시작했다.
텍스처는 게임 메모리의 가장 많은 부분을 차지하지만 일반적으로 각 텍스처에 대한 메모리 일부만 GPU에 의해 액세스 된다. SFS(Sampler Feedback Streaming)라는 기술은 GPU의 메모리 요구를 보다 밀접하게 결합해 고품질 버전을 쉽게 얻을 수 없는 경우 낮은 품질 밉을 보정하는데 실제로 필요한 텍스처 밉 데이터를 지능적으로 로드하도록 구축됐다.
SSD를 시스템 메모리 일부처럼 쓰는 벨로시티 아키텍처를 통해 게임을 종료할 때 시스템 RAM이 SSD로 캐시되고 Quick Resume으로 액세스하면 캐시가 복원되기 때문에 몇 초 만에 저장된 게임들을 효율적으로 전환할 수 있다.
게임 자체의 관점에서 볼 때도 백그라운드에서 일어나는 일을 알 수 없으므로 사용자가 가이드 버튼을 눌렀을 때 게임이 중단되거나 재로딩 되지 않고 정상적으로 재개된다. 콘솔을 끄거나 완전히 분리하거나 시스템 업데이트를 수행한 다음에도 SSD에 저장된 게임 상태가 유지된다.
실제로 Xbox 시리즈 X에서 4K 60 Xbox One X 모드로 포르자 모터스포츠7(Forza Motorsports 7), 스테이트 오브 디케이2(State of Decay 2), 헬블레이드(Hellblade), 그리고 Xbox 360 타이틀 더 케이브(The Cave)까지 게임을 전환하며 플레이 한 결과 게임간 전환에 약 6.5초 정도의 지연이 있었다고 한다.
마이크로소프트는 Quick Resume에 사용되는 SSD 캐시 크기를 알려주지 않았으나 이 기능이 최소 3개의 Xbox 시리즈 X 게임을 지원한다고 말했다. 하나의 게임 타이틀에 최대 13.5GB 메모리가 할당된다는 사실을 고려하면 최대 약 40GB의 SSD 용량이 필요하지만, 벨로시티 아키텍처에 하드웨어 압축 및 압축해제 기능이 있다고 가정하면 실제 SSD 설치 공간은 더 작을 수도 있다.
입력 지연(Input lag) 및 화면 찢어짐(tearing)을 방지하기 위한 노력도 포함된다. 마이크로소프트가 언급했던 DLI(Dynamic Latency Input)은 컨트롤러부터 디스플레이에 이르기까지 게임 파이프라인의 모든 가능한 부분에서 대기 시간을 줄이도록 설계됐다.
게임패드 입력 대기 시간을 단축하기 위해 전체 입력 소프트웨어 스택을 다시 작성해 레이턴시를 개선했으며, 개발자들이 프레임 속도를 추적할 수 있는 것처럼 엔진 전체에서 입력 지연을 정확하게 추적할 수 있는 시스템을 제공했다.
새로운 120Hz HDMI 2.1 디스플레이 지원으로 기존 60Hz보다 두 배 빠른 업데이트 및 가변 재생률(VRR), 콘솔에서 디스플레이가 자동으로 게임 모드로 전환되도록 하는 자동 저지연 모드(VL)와 같은 새로운 게임 중심 기능을 추가했다.
화면 찢어짐을 방지하기 위한 혁신도 들어갔다. 게임이 완성된 프레임을 TV로 전송하는데 사용하는 프리젠테이션 API를 재설계했으며, 기존의 더블 또는 트리플 버퍼링과 레이턴시 사이의 전통적인 연결을 완전히 분리해 게임에서 원하는 대기 시간을 별도로 지정하면서 트리플 버퍼링을 사용해 게임 내 대기 시간을 가능한 한 정확하고 쉽게 줄일 수 있다.
기존 콘솔과의 호환성도 유지된다. Xbox 360 및 Xbox One 게임의 하위 호환성 뿐만 아니라 기존의 주변기기도 정상적으로 작동한다.
Xbox One에서 Xbox 360 게임 하위 호환을 지원할 때는 달라진 하드웨어 아키텍처 때문에 에뮬레이션 레이어 방식을 썼지만, Xbox 시리즈 X에서는 Xbox One 게임 전체를 실행할 수 있고 하드웨어 성능 향상으로 해상도와 프레임 증가 효과를 얻을 수도 있다. SDR 콘텐츠에서 머신러닝 알고리즘으로 HDR 구현을 할 수도 있다.
새로 도입되는 스마트 딜리버리(Smart Delivery) 기능으로 Xbox One 버전의 기어즈5 게임을 보유한 경우 Xbox 시리즈 X가 출시될 때 추가 구매 없이 최적화 버전 기어즈5를 플레이 할 수 있다.
