magazine voor computertechniek c't 09-2000 Exclusief On-line

Reportage Consoles: de techniek

Matthias Hoffstiepel, Stefan Schulze

Kostbare binnenkant

Consoletechniek van de volgende generatie 

De PlayStation2 kreeg zoveel lof vooraf dat het zelfs pc-fans opviel: gaat het hier om een console die de pc als spelmachine zal overvleugelen? Een blik onder de kap van de PlayStation2 & co onthult inderdaad een enorm potentieel, maar ook enkele problemen.

 Bij consoles is het niet mogelijk om stap voor stap een upgrade door te voeren, bij pc’s kan dit wel. Als de ouderdomsverschijnselen van de architectuur ook door de meest geraffineerde programmeertrucs niet meer verdoezeld kunnen worden, zal de hardware volledig vervangen moeten worden. Zo’n generatiewissel vindt op het moment plaats: de Dreamcast van Sega is de eerste uit een rij nieuwe voorstellingen, Sony heeft met de PlayStation2 (PS2) in Japan al de opvolger van de PlayStation voorgesteld en Nintendo wil nog dit jaar met Dolpin de N64 op non-actief zetten. Microsoft zal vanaf volgend jaar proberen met de X-Box de macht van de drie grootheden op de consolemarkt te ondermijnen.

 Bij consoles gaat het om games en daarmee tegenwoordig voornamelijk om 3D-graphics. De oppervlakken van de driedimensionale objecten bestaan uit polygonen, in de praktijk meestal driehoeken, zodat het aantal per seconde verwerkte polygonen een maatstaf is voor de grafische performance van een systeem.

 Centrale spelfiguren bestaan op het moment uit een paar honderd tot een paar duizend polygonen. Dit levert bij 30 frames per seconde al ruim 30.000 weer te geven polygonen op. Voor een menselijke figuur kunnen ook gemakkelijk 500.000 polygonen per beeld nodig zijn. De Dreamcast haalt als beste console tot dusver ongeveer 3 miljoen polygonen per seconde, een gemiddelde pc komt ongeveer even ver en de GeForce-kaart markeert met ongeveer 15 miljoen polygonen/s de absolute top op pc-gebied.

 En iedere nieuwe generatie is natuurlijk de beste die er ooit was, de reclame loopt over van de superlatieven. Bij het beoordelen van zulke resultaten is evenwel voorzichtigheid geboden, nog afgezien van het feit dat spelplezier niet door pure rekensnelheid afgedwongen kan worden.

Begin artikel

 Is meer beter?

 Volgens Sony kan de PlayStation2 elke seconde 75 miljoen polygonen weergeven, Bill Gates heeft voor de X-Box zelfs 300 miljoen polygonen/s aangekondigd en Nintendo zal binnenkort waarschijnlijk wel vergelijkbare waardes presenteren. Staat het dus al ‘5:1’ in het duel PlayStation2 tegen de pc?

 Deze overweldigende waarde leverde PlayStation2 al voor zijn verschijnen een image als ‘pc-killer’ op en kreeg dus ook veel aandacht van de pers. Negatieve reacties komen nu echter uit de hoek van verwende speltesters die teleurgesteld moeten vaststellen dat de console toch niet kan tippen aan hun pc van een paar duizend gulden.

 Als fabrikanten elkaar bestoken met steeds hogere waarden, moet je wel bedenken dat dan vaak alleen de pure performance van de grafische eenheid wordt weergegeven. Hierbij wordt voorbijgegaan aan het feit dat een spel nooit de kale polygonen weergeeft, maar tegelijkertijd nog een reeks ingewikkelde bewerkingen moet doorvoeren. Zo blijven er van de 75 miljoen polygonen die een PlayStation2 theoretisch per seconde kan verwerken, na het activeren van de Z-buffer en de alpha-blending nog 50 miljoen over. Nadat het beeld door MIP-mapping en anti-aliasing de finishing touch heeft gekregen, loopt dit getal nog eens tot de helft terug. Er blijven dus ongeveer 25 miljoen polygonen over. En ook dit getal is een theoretische waarde. Uit de laboratoria van de ontwikkelaars komen alleen een waarde naar buiten die ontstaan is onder ideale omstandigheden die zelden stroken met de situatie in de praktijk.

 Voor een recent PlayStation2-spel als Ridge Racer 5 met een complexe stadsomgeving en gedetailleerde voertuigen halen de programmeurs van Namco op het moment maar net 2 miljoen polygonen/s uit het systeem. Dit is wel zevenmaal sneller dan de performance van een Nintendo 64 maar vergelijkbaar met de prestaties van de Sega Dreamcast.

Begin artikel

 Te weinig

 Van doorslaggevende betekenis voor de grafische prestaties van het systeem is de wijze waarop het videogeheugen geÔntegreerd is met de andere componenten in het systeem. In het video-RAM (VRAM) liggen behalve het eigenlijke beeldgeheugen en de Z-buffer ook de textuurgegevens. Texturen zijn voor spelontwikkelaars ongeveer hetzelfde als verf voor een schilder: pas hierdoor krijgt het geraamte uit polygonen structuur en kleur. Hoe meer VRAM het systeem heeft, des te realistischer kunnen de scËnes en de figuren door de ontwikkelaar worden vormgegeven.

 Bij de implementatie van het video-RAM hebben de designers van de PS2 geen half werk verricht. De grafische processor kan via de 2560 bit brede bus met de volledige chipfrequentie van 147 MHz het embedded DRAM benaderen en behaalt daarmee een pixelfillrate van ongeveer 48 GB/s. Ter vergelijking: zelfs een GeForce-kaart behaalt ‘slechts’ bijna 0,5 GB/s.

 Maar dit supersnelle datapad heeft de designers blijkbaar ook tot een compromis gedwongen, dat wel eens een grote handicap voor de PS2 zou kunnen zijn. Het video-RAM is met 4 MB gewoonweg te klein. Zelfs de oudere Dreamcast beschikt al over 8 MB, de Dolphin zal minstens 16 MB hebben en bij de UMA-technologie van de X-Box zijn theoretisch zelfs 64 MB RAM voor texturen beschikbaar (zie kader).

 Het videogeheugen moet door de texturen en het beeldgeheugen inclusief Z-buffer worden gedeeld. Maar al bij resoluties van 640 x 480 pixels blijft nog maar amper ruimte voor texturen over, zodat het systeem heel vaak textuurgegevens uit het systeemgeheugen in het VRAM moet laden.

 Om de schokkerige beeldweergave die hierdoor ontstaat te vermijden gebruiken veel ontwikkelaars tot dusver in plaats van een resolutie van 640 x 480 slechts een resolutie van 640 x 240 of 320 x 480 pixels. Hiermee gaan de beloftes van Sony dat de PlayStation2 diverse weergaveformaten van PAL/NTSC, HDTV tot en met VESA met een resolutie van maximaal 1280 x 1024 pixels zou kunnen weergeven, definitief in rook op. Door deze tekortkoming blijft de pc bij het spelen van games in een hoge resolutie nummer een. Nu is het afwachten in hoeverre de Dolphin en X-Box daarin verandering kunnen brengen.

Begin artikel

 Rekenkracht

 Voor de reÎle grafische performance speelt behalve het aantal polygonen per seconde ook de verwerking van de polygoongegevens een belangrijke rol. De cordinaten van de polygonen bestaan uit floating point-getallen, dat wil zeggen dat iedere rekenkundige bewerking met polygonen floating point-berekeningen vereist. Systemen als de PS2 met een grafische eenheid die geen hardware voor de transform & lighting (T&L) heeft, moeten dit karwei aan de processor overlaten, die hiervoor een krachtige Floating Point Unit (FPU) nodig heeft.

 In werkelijkheid voert de FPU van de PS2-CPU bij 150 MHz zo’n 6,2 GFLOPS door (Giga Floating Point Operations Per Second), dit is twee tot vier keer zoveel als een 600 MHz Pentium III en meer dan vier keer zoveel als de Dreamcast. Het addertje onder het gras hierbij is dat deze theoretische performance alleen bij een parallelle werking van de twee vectoreenheden van de CPU behaald kan worden. Ontwikkelaars duiden aan dat het programmeren gecompliceerd is bij deze parallelle werking van de PS2-hardware bij recente spellen en zal waarschijnlijk beperkt ingezet gaan worden.

Begin artikel

 De kern van de zaak 

 De CPU van de PS2 ontwikkelde Sony in samenwerking met Toshiba. Het kreeg de naam ‘Emotion Engine’. Het betreft hier een op 295 MHz geklokte RISC-processor die uit meer dan 13 miljoen transistors bestaat. Behalve twee superschaalbare integereenheden (IU) , een128-bit-SIMD-eenheid (Single Instruction Multiple Data) en MPU (voor multimediacommando’s) beschikt hij over een floating-point-eenheid (FPU) voor het verwerken van vectoren, twee floating-point-vectoreenheden (VU0, VU1) en een Image Processing Unit (IPU) die de MPEG2-decodering moet doorvoeren.

 Wat ontwikkelaars aan de Emotion Engine vooral niet bevalt is de met 16 KB nogal schamele second-level-cache die niet bepaald programmeurvriendelijk is uitgevallen. In snelheidsrelevante programmadelen is daardoor dus handmatig geoptimaliseerde ‘assembly language’ nodig om het potentieel van de PS2 goed te kunnen benutten. Of programmeurs zich tegenwoordig nog de tijd gunnen om op een zo diep ‘level’ te duiken is maar de vraag. Bij de eerste games is gebleken dat dit niet is gebeurd.

 Het als ‘Graphics Synthesizer’ aangeduide grafische subsysteem beheerst features die al bijna als ‘standaard’ aangeduid kunnen worden, zoals multipass-texturing (bump mapping, lightmaps), fogging en bi-/trilineaire filtering in verbinding met MIP-mapping. De pixels zelf zijn 32-bits, dus 24 bit True-Color met een 8-bit-alpha-kanaal. Het systeem gebruikt een 32 bit brede Z-buffer.

 Een nogal ongebruikelijk feature is de ondersteuning van partikels en sprites. Zo kan de PlayStation2 volgens officiÎle opgaven maximaal 150 miljoen partikels/s renderen en 18,75 miljoen sprites (8 x 8 pixels grote 2D-objecten). Technisch gezien gaat het echter slechts om een gedifferentieerde vorm van een polygoonweergave. De bewerking van de sprites, respectievelijk partikels ligt volledig op het bordje bij de ontwikkelaars.

 Het werkgeheugen van de PlayStation2 bestaat uit twee Rambus-geheugenchips met 32 MB, waarop een zogenaamde 2-kanaals-benadering mogelijk is. Dit levert een busbandbreedte van 3,2 GB/s op — vier keer zoveel als bij een huidige pc met normaal PC100-RAM. Het gebruik van de Rambus-RIMMS is overigens een interessant aspect, een massaal gebruik in de PlayStation2 zou namelijk eindelijk aan de (vooral door Intel) lang verwachte prijsverlaging van de modules kunnen bijdragen.

Begin artikel

 Toonval

 Muzikaal gezien kun je bij de PS2 spreken van ouderwetse degelijkheid. Verantwoordelijk voor het goede geluid is een chip met de spannende naam ‘SPU2’. Het gaat om een chip die gebaseerd is op de chip van de oude PlayStation. Het aantal stemmen werd evenwel verdubbeld. Ontwikkelaars menen dat het geluid niet erg heftig is, zodat de muzikale omlijsting van veel spellen tot het afspelen van digitale muziekstukken (streaming audio) beperkt zal zijn. Hiervoor ondersteunt de geluids-chip de digitale audioformaten AC3 en DTS bij samplingfrequenties van 44,1 en 48 kHz. Dat bij de ontwikkeling de nadruk heeft gelegen op dvd-ondersteuning is duidelijk te herkennen.

 Achter de klep van de PS2 zit dan ook een dvd-player, in plaats van de tot dusver gebruikte cd-romdrive. De dvd-drive kan behalve double-layer-dvd’s ook audio- en data-cd’s (24-speed) lezen. Hiermee is de PS2 compatibel met de oude PlayStation spellen. 

De twee USB-poorten en de 1394-interface vormen de basis voor Sony’s plannen van de Playstation2 een universele  multimediamachine te maken.

Meer extra’s kan je via twee USB-aansluitingen of de IEEE-1394-poort (Firewire) aansluiten. Aan de achterkant zit nog een PC-Card-Slot van het type 3, waarvoor begin volgend jaar een modem verkrijgbaar moet zijn. Deze universele uitbreidingsmogelijkheden zouden wel eens een belangrijk voordeel in het duel met de Dreamcast zijn die alleen een eigen seriÎle poort heeft.

 Maar omdat je natuurlijk drivers en programma’s nodig hebt die de apparaten kunnen gebruiken zal de externe Firewire-harddisk, die je op comfortabele wijze zelf aansluit, voorlopig wel een droom blijven. Het zou natuurlijk wel geweldig zijn als Sony een MP3-player voor de console zou aanbieden. Of dit zal gebeuren is uiterst twijfelachtig gezien de belangen van Sony in de muziekindustrie.

Begin artikel

Generatieconflicten

 De PlayStation2 belooft volledige neerwaartse compatibiliteit, alle PlayStation-spellen zouden ook op de nieuwe architectuur moeten functioneren. Zoals al gezegd kan de drive de tot dusver gebruikte PlayStation-cd’s lezen — natuurlijk alleen originele cd’s en niet de populaire ‘veiligheidskopieÎn’.

 De Emotion Engine zelf is echter niet binair compatibel met de tot dusver gebruikte MIPS-chip. Om desondanks een gecompliceerde en langzame processoremulatie te vermijden, heeft Sony de oude PlayStation-chip er gewoon bij ingebouwd. Tijdens normaal bedrijf neemt hij het I/O-management van de PS2-processorcombinatie over, oude PlayStation-titels lopen daarentegen in hun vertrouwde omgeving — een intelligente vorm van chiprecycling.

 De kans om met behulp van de superieure mogelijkheden van de PS2 het look&feel van de oude titels op te kalefateren, werd door Sony niet optimaal benut. Het systeemmenu biedt weliswaar een optie om de grove texturen van de PlayStation-spellen glad te strijken, maar de optiek wordt hierdoor maar net een tikje verbeterd. Door het polygoondieet en de magere texturen zullen waarschijnlijk zelfs de trouwste fans niet veel zin meer hebben om de klassieke spellen aan te schaffen — zeker niet in vergelijking met volwaardige PS2-games.

 Een absoluut gewenst effect, het is tenslotte niet de bedoeling dat de bezitters van de nieuwe console tot in lengte van dagen de oude spellen blijven draaien. Het is voor de fabrikanten van groot belang dat de mensen nieuwe spellen aanschaffen, hiermee kunnen ze namelijk al het geld dat ze in de ontwikkeling van de nieuwe architectuur hebben gestoken weer terugverdienen. Verder wordt er op het net al bericht over problemen met afzonderlijke PlayStation-spellen.

Begin artikel

 Toekomstmuziek

 Volgens Sony duidt de architectuur van de PlayStation2 de toekomstige ontwikkeling aan. Op basis van die architectuur wil men zelfs werkstations ontwerpen. De eerste moet al begin volgend jaar op de markt komen. Het is de bedoeling dat er in 2002 een verdere ontwikkeling met een CPU met meer dan 40 miljoen transistors verschijnt. In 2005/2006 moet er dan een derde werkstation op de markt komen dat ruim duizend keer beter presteert dan de huidige PS2.

 Het toepassingsgebied dat men voor deze speciale machines op het oog heeft is onder andere de verwerking van digitale inhoud, bijvoorbeeld als multifunctionele digitale projectoren in multiplexbioscopen of voor het creÎren van digitale films. Hiervoor moet de derde werkstationgeneratie een resolutie van 4000 x 2000 pixels bij 120 beelden/s ‘fullscreen’ bieden. De techniek van deze derde werkstationgeneratie moet dan overigens de basis van de volgende Sony-console vormen, die de inventiviteit van de naamgevers kennende waarschijnlijk Playstation3 zal gaan heten.

Begin artikel

 Conclusie

 Tot dusver maken de beschikbare spellen slechts van een fractie van de indrukwekkende mogelijkheden van de PlayStation2-architectuur gebruik. Dat ligt niet alleen aan de gebruikelijke moeilijkheden bij de omzetting, maar voor een groot deel ook aan moeilijk te begrijpen minpunten in het design zoals het te kleine video-RAM en de te klein uitgevallen L2-cache. Ondanks deze handicap zijn de ontwikkelaars toch vooral enthousiast over de mogelijkheden van de nieuwe console. Vanwege de introductietijd van maar acht maanden ging het er bij de eerste spellen alleen maar om, om voor de verkoopstart klaar te zijn. We mogen hopen dat men op het moment al bezig is de game-engine voor de PS2 architectuur te optimaliseren. Voor zulke optimalisaties is nog voldoende potentieel voorhanden, zodat we vol spanning kunnen uitzien naar de volgende generatie spellen.

De architectuur van de PlayStation2 heeft enkele bijzonder aantrekkelijke componenten, het is voor de ontwikkelaars echter moeilijk hier gebruik van te maken.

Begin artikel

Ontwikkelen voor de PlayStation2

Naast de eigenlijke‘Emotion  Engine’ en de‘Graphics Synthesizer’ zit er op het bord ook de oude PlayStation-chip, dit keer als I/O-controller.

Terwijl het ontwikkelingsbord van de PlayStation nog een uitbreidingskaart voor de pc was, gaat het bij het ontwikkelingssysteem voor de PlayStation2 om een hybride verbinding tussen de PS2 en een pc. De DTL-T10000 kan in twee modi worden aangestuurd: in de ‘reguliere’ PlayStation2-modus voor het programmeren en debuggen van software en in de werkstationmodus. In de laatste modus kan de ontwikkelaar over een op Linux-gebaseerd besturingssysteem beschikken en over de gereedschappen die nodig zijn voor de ontwikkeling.

 De communicatie met het PS2-subsysteem verloopt via TCP/IP. De PlayStation2 zelf werkt overigens niet met Linux, maar met een door Sony ontwikkeld besturingssysteem. Het PS2-subsysteem onderscheidt zich alleen door het grotere geheugen van 128 MB van de originele PS2. Het werkstation zelf is op een Pentium 233 MHz MMX gebaseerd, omvat standaard twee harddisks en optioneel een dvd/cd-emulator. De ontwikkelingsgereedschappen beperken zich (nog) tot het hoognodige. Professionele ontwikkelaars maken daarom vaak gebruik van producten van third party aanbieders zoals Metrowerks of Alias/Wavefront. De kosten hiervoor zullen bij de aanschafprijs van de DTL-T10000 van 19.000 dollar nauwelijks van belang zijn.

Begin artikel

Nintendo’s Dolphin

Nintendo houdt de technische gegevens over de nieuwe console nog steeds achter slot en grendel, zelfs bij de aanduiding ‘Dolphin’ gaat het enkel om een codenaam. Om het door Sony ingepikte marktleiderschap terug te veroveren is Nintendo met maar liefst twee machtige medespelers in zee gegaan: IBM en Matsushita. Big Blue moet hierbij de processor ontwikkelen en vervaardigen, een in koper gefabriceerde 400 MHz PowerPC-variant met de naam ‘Gekko’. Matsushita, ‘s werelds grootste elektronicaconcern (Panasonic, Technics) en de grootste tegenstander van Sony zal vooral voor het aspect consumentenelektronica verantwoordelijk zijn — iets waar Nintendo op het moment niet zo sterk in is.

 Er wordt over onderhandeld of Matsushita naast het fabriceren van de dvd-drive van de Dolphin ook exclusief licenties mag verlenen voor de techniek van de Dolphin-console. Nintendo zou dan een pure videospelconsole op de markt brengen, terwijl Matsushita een multimedia-machine vergelijkbaar met de PlayStation2 verkoopt. Zo zou Nintendo voor de ‘kleine’ versie geen dure licentiekosten voor dvd-video hoeven te betalen en een goedkope spelmachine voor de massamarkt kunnen produceren.

 Het chipontwerp van de grafische hardware is afkomstig van het Californische bedrijf Art X, medewerkers van dit bedrijf hebben deels al bij SGI de grafische hardware van de N64 ontworpen. De fabricage van de met 200 MHz geklokte grafische chip moet door NEC worden overgenomen. Over performancegegevens is tot dusver niets bekend. Er wordt evenwel gefluisterd dat de waardes niet veel verschillen van de waardes van de X-Box. De console moet met name voor ontwikkelaars het programmeren vergemakkelijken, dit in tegenstelling tot de huidige N64. Een aspect, dat er op het eerste gezicht misschien onbelangrijk lijkt, maar zeker niet onderschat mag worden. Atari’s Jaguar-console liep naast de slechte marketing vooral stuk op de noodzakelijke gecompliceerde assembly programmering van games.

 Tamelijk zeker is, dat de Dolphin hardware-T&L ondersteunt en dat Art X de S3-textuurcompressiemethode in een hardware-vorm heeft gegoten. Bij de Dolphin moet in tegenstelling tot de N64 nu eindelijk een eigen soundchip voor de audioweergave gaan zorgen, wat waarschijnlijk een met 100 MHz geklokte DSP zal zijn. De geluids- en muziekweergave was op de N64 problematisch en gebruikte veel resources, dit is een reden waarom Nintendo moeite heeft gedaan hier geen steekje te laten vallen.

 Na de aankondiging van de X-Box door Microsoft zullen de designers van de Dolphin zeker nog een keer over hun plannen nadenken. Maar ze kunnen alleen nog maar aan parameters als geheugenuitrusting en klokfrequentie sleutelen als ze de aangekondigde introductiedatum van de spellen (die al ontwikkeld worden) niet willen overschrijden. Het is de bedoeling dat de Dolphin aan het eind van het jaar in Japan op de markt komt. Dit betekent dat de eerste projecten al richting de eindfase aan het gaan zijn. De start van de verkoop in Europa en de VS werd echter al naar het midden van het volgende jaar verschoven.

Begin artikel

De X-Box

Microsoft heeft de inmiddels ook officieel aangekondigde spelconsole met de naam X-Box geÔntroduceerd en is sterk gebaseerd op bestaande techniek die ook terug te vinden is in de huidige pc-lijn. Nadat Intel op het laatste moment AMD toch nog uit het bootje heeft gegooid en zal de X-Box minimaal van een 600 MHz Intel Pentium III processor voorzien zijn.

 De grafische chip ‘X-Chip’ (NV25) ontstaat in samenwerking met Nvidia als doorontwikkeling van de GeForce. Met 300 MHz ligt de frequentie dubbel zo hoog als bij de grafische chip van de PlayStation2. Bill Gates beloofde een nominale performance van 300 miljoen polygonen/s — dus vier keer zoveel als bij de PlayStation2.

 De X-Box zal 64 MB RAM gaan omvatten, waarbij de CPU en de graphics dit geheugen in een Unified Memory Architecture (UMA) delen. Deze methode wordt al geruime tijd door SGI in apparaten als de O2 of de Visual Workstations gebruikt. Kenners van dit wereldje valt het hierbij op dat de workstation-fabrikant de ontwikkeling van zijn grafische subsystemen inmiddels aan Nvidia heeft overgedragen.

 Ongebruikelijk voor een console zijn de harddisk van 9 GB die standaard wordt aangeboden, een breedbandige netwerkaansluiting en de hoge resolutie van maximaal 1920 x 1080 pixels. De hoge resolutie en de aansluitmogelijkheden voor HDTV-televisies en computermonitoren maakt een einde aan een van de minpunten uit de consolewereld — een stap die eigenlijk al van Sony’s PlayStation2 werd verwacht.

 Als besturingssysteem wordt — niet echt verrassend — een op ROM geÔnstalleerde, aangepaste Windows-2000-kern gebruikt; DirectX 8 moet de ontwikkeling van de software gemakkelijker maken. Net als de PlayStation2 zal het systeem ook een dvd-drive hebben en daarbij dvd-video- en cd-audio-support bieden. Toetsenbord en muis zullen optioneel verkrijgbaar zijn en zijn daarmee de laatste componenten om een brug naar de pc te slaan. Microsoft heeft aangekondigd dat de wereldwijde marktintroductie eind 2001 zal plaatsvinden.

Begin artikel

Begin artikel