SSD固态硬盘对游戏行业的一场革命

前年的Computex展上，AMD曾经演示过一段画面demo，对比Radeon RX 5700系列和英伟达的Geforce 2080 Ti，宣称画面与性能大胜。当时这个演示是引起了不小的争议的，该场景表达的是带宽对于游戏的影响。但实际上，在现实世界的游戏作品中，几乎不存在这种类型的负载。事实真的如此吗？

当时的这段演示，可能已经在预示“存储”的未来，对于游戏行业接下来持续数十年的影响了。

似乎在当代PC领域，配SSD固态硬盘是个日常——都什么年代了，还谈SSD固态硬盘是HDD机械硬盘的未来？PC游戏自然也应该在“享用”SSD带来的速度优势吧？

但在次世代游戏主机领域，高速SSD的采用算是个新鲜事，或者说至少以前SSD在游戏主机领域并不太受待见——索尼PS5和微软Xbox Series X终于“不约而同”地用上了SSD，而且是NVMe SSD。因为事实上，对传统生态的游戏主机而言，硬盘速度或许真的没那么重要，容量才是关键。对于单游戏动辄10GB+的容量，以及游戏主机需考虑成本问题的现状而言，开发者们总在想方设法降低硬盘性能对于实际游戏体验的影响。

从最直接的角度来思考，换个SSD似乎也不是什么大不了的事情，不就读写快点儿吗？快又能快到哪儿去？游戏里屏幕上需加载和待加载的元素，不都是放在RAM里面的吗？换个SSD，游戏体验就大不同了？

或许SSD在游戏主机上采用的开始，乃是改写游戏行业历史的序章。本文就从较浅层的技术角度来谈谈，SSD对于游戏界究竟产生了多大的影响。

换用SSD的PS和Xbox

从纸面数字来看，微软Xbox Series X用了总容量1TB的NVMe SSD固态硬盘，顺序读取速度为2.4GB/s。这对SSD而言算不上什么惊艳数字；虽然已经比机械硬盘快10-20倍了，但在PC平台也就是个入门水平。而索尼PS5的SSD总容量825GB，顺序读取速度5.5GB/s（PS4是50-100MB/s），接口PCIe 4.0 x4，通道数是12个——这就有点儿高端的意思了。

不过换用SSD究竟有什么用呢？5.5GB/s的顺序读取，在RAM速度面前，起码有几十倍甚至上百倍的差距。硬盘和内存介质仍然不是一个世界的东西，PS5不照样配备16GB GDDR6吗？

先来看看微软这边，微软在Xbox存储相关的技术表达上，引入了一种“Xbox Velocity Architecture”架构。这个市场宣传词，在微软的定义下包含了4个组成部分，分别是SSD固态硬盘本身、压缩引擎、用于访问存储的软件API，以及名为Sampler Feedback Streaming的硬件特性（一种GPU特性，可提高纹理利用效率：哪些数据可以从RAM中移除，并判断下一步要加载哪些数据到RAM）。

就Xbox Velocity Architecture的这几个构成而言，很难看出什么爆炸性突破，至少就微软公布的信息来看是如此。

虚幻5引擎演示的图形计算画面

索尼PS5相对复杂，去年索尼在介绍PS5时，花了1/3的时间专门介绍PS5的存储系统。这表明SSD在PS5之上的分量不轻。去年EPIC在虚幻5引擎的技术演示中强调，演示中那些令人叹为观止的效果都需依赖PS5的高速SSD。虽说这其中多少有索尼和EPIC底层合作的成分在，但技术本身不应被轻易否定。有关PS5的SSD及相关的存储架构，后文会详述。

SSD的高带宽，和数据压缩

从直觉来看，换用SSD的最大价值，应该在于启动游戏、加载场景会更快。这的确是这代游戏主机的提升所在。下面这张图来自tom's GUIDE的PS5评测文章，是PS5与PS4两代机型的不同游戏加载时间对比：

来源：tom’s GUIDE

部分游戏的差异在这里还是相当显著的。像《蜘蛛侠：迈尔斯·莫拉莱斯》这样的游戏，“在home页面选择游戏，到角色出现在大街上开始打怪，几乎是0时间差”。 Android Authority在PS5体验文章中提到，“所有PS5游戏的加载页过渡时间都在10秒以下，更多的是在3-4秒”，甚至因为加载页面时间过短，连页面上的那些文字提示都看不全，“不过这也是值得的”。

索尼宣称，2GB数据加载时间只需要0.27秒——在PS4时代，1GB数据从硬盘加载完成需要20秒。但如果只是游戏启动、场景过渡加载时间变短，那么SSD实在没什么可大书特书的。毕竟这本来就是SSD相比HDD的优势，更不用说什么“革新”游戏行业。

GPU在数据吞吐方面的努力上一直没停过。当代GPU越来越多的开始引入一些专用单元，比如Turing架构针对光线追踪特别引入了RT核心与Tensor核心。在存储架构方面，当代GPU普遍都有专门的数据压缩单元。

数据压缩的价值在于，将数据体积压缩得更小之后（典型的比如纹理数据），再传输到内存或者cache之上，减少数据传输量，因此也就增大了带宽。不过一般来说，数据解压过程是需要CPU进行的，软解的效率并不高。

Xbox Series X和PS5都在数据压缩和解压方面做了文章。SoC的I/O模块部分都有专门的数据解压缩硬件单元。实际上先前的游戏主机就有这样的特性，只不过存储介质不是以SSD的方式存在的。微软着眼于纹理数据压缩，因为纹理数据占到游戏数据读取与解压最大的比例，纹理压缩算法名为BCPack。索尼除了Zlib之外，采用一种名为Kraken的格式。

索尼宣称，其解压缩硬件能够将SSD之上5.5GB/s的数据流，解压缩为8-9GB/s的数据。在压缩效率最理想的情况下，理论最高输出率是22GB/s。这个量级很大程度上也是基于其NVMe SSD。这样的专用硬件，极大缓解了CPU的压力。索尼宣称，这种专用解压单元，在解压能力上相当于9个Zen 2处理器。

越来越多专用单元的出现，也是通用计算领域向前发展的一种共识了。而且索尼自PS3时代的CELL处理器开始，就有一个坚持：数据传输的高带宽、低延迟，比处理器本身的算力重要。近代GPU的发展路径里，这的确也是英伟达与AMD的共识；而从系统层面，将其扩展到外存，又是这一理念的延伸。

所以这有什么用？

说来说去，难道还是游戏启动和场景加载更快而已吗？PC界早就证明了，提升硬盘的速度并不会对游戏性能和体验造成什么实质上的提升。毕竟从直觉上来看，存储不能提升游戏画质和帧率。一般游戏，玩家看到或即将看到的画面资源都是放在RAM中的。

实际情况是，基于PC世界木桶短板原则，游戏开发者极大程度受制于PC大环境的平均配置，而想尽办法从游戏开发层面，试图向玩家隐藏存储系统的短板。

但游戏主机有着相对单一的开发目标，硬件限制、开发环境都大致稳定。在主要游戏主机开始采用SSD之后，开发者们（或者生态）就该思考如何充分利用明显更快速的存储硬件了。所以前文也提到了微软Xbox Velocity Architecture的新API。

索尼在这代主机上，虽然纯看算力及RAM层面的效率是不及Xbox Series X的，但它针对SSD存储的变革决心却相当之大。PS5平台之下新的I/O API，可让开发者去利用新的SSD及存储架构。

在新的开发生态中，文件名、路径的概念不再，取而代之的是一种基于ID的系统——以最快的速度告诉系统从哪里去找数据。开发者只需要指定ID，开始位置、结束位置；整个IO流程一步完成，不需要应用去操心内存数据解压、重新安置的问题。毫秒级延迟后，就能在单帧处理时间内请求获取到数据——早年的HDD，这个流程需要耗时最多250ms。

去年3月份，PS5系统架构师Mark Cerny举过一个例子。“某个敌人在游戏中死去时，会最后叫出声，这种数据需要有高优先级来获取。但可能因为流水线中其他的游戏与操作请求，数据仍要等250ms才能拿到。”“而死亡、哀嚎，是需要同步发生的。在PS4，同类问题就要求把大量数据都必须放到RAM上。”虽然个人觉得这个例子可能并不恰当，不过高速SSD的存在，某种程度转移了RAM的负担。

这种“转移”可能体现在多个方面。比如说开放世界游戏，通常这种游戏需要限制玩家的移动速度，或者游戏环境没有那么细致。因为RAM资源是有限的，游戏只能过着紧巴巴的日子，必要的资源才放进去。要是玩家移动太快、画面太细致，资源都来不及加载。但在有了高速SSD（和对应的I/O架构）之后，开发者就得到了极大程度的自由。

这个自由当然不是说用SSD来替代RAM，而是体现在working set上——即每次有多少内存是真正当下就使用的（即现在就显示在游戏画面中的）。在高速SSD的加持下，游戏就没那么迫切的要求去预取（prefetch）数据。

比如一个游戏中，相同房间内某个对象的贴图，如果现在并不在游戏画面内（不显示在屏幕上，而是在屏幕之外），那么或许将其放到SSD上（而不是RAM上）问题也没那么大，等到玩家视角开始向该对象的方向移动时，再加载也不迟。过去HDD时代是不能这么做的，通常整个房间、甚至相邻房间的数据都必须放在RAM里，否则游戏体验就是悲剧。

有了SSD，一部分RAM就能释放出来，这些RAM可用于存放更高品质的资源，屏幕上显示的当前画面也能够更好。或者应该是“变革”的核心所在。Mark Cerny提到，游戏只需要大约提前1秒做预取工作（而不是PS4时代的30秒），这是高带宽、低延迟SSD能够带来的重要价值。

Mark Cerny原话说：“玩家在游戏中转个身，SSD如果足够快，快到立马就可加载纹理如何？如果转身0.5秒，也就是加载4GB的压缩数据。”这可能是虚幻5引擎演示基于PS5的某种依据，也会成为革新游戏主机平台游戏开发的开始。

SSD给游戏机带来的其他变化

以前的很多游戏，开发者为了解决慢速存储的限制问题，通常会采用很多策略。比如说场景间过渡，搞个楼层间电梯：玩家在乘坐电梯的时候，实际上就是数据在忙碌加载的过程；再比如在某些过渡场景，限制玩家视野（比如搞个狭窄的山洞或通道）。将来，这些可能都不再需要了。

前面这些至少对于游戏玩家而言，是能够看得见、摸得着（可能摸不着）的革新，包括游戏启动、画面加载时间显著缩短，游戏画面可以更细致，对玩家的限制更少，甚至可能带来更多的玩法。比如说开放世界中，更快的竞速游戏体验；或者从天文星球级别，可将画面无缝、快速放大至分子级别；以及更多现在我们暂时没想到的游戏方式。

高速SSD及周边存储与I/O架构还带来了一些相对隐性的价值。比如说游戏体积可以做得更小。游戏主机的HDD时代，开发者为了减小硬盘寻道时间带来的影响，某一个场景显示所需的数据，通常都会存储在连续的硬盘块区域上，这样就能减少数据寻道操作了。

不过某些对象可能会在不同的场景里反复出现，那么这些对象就会重复存储在各种连续的硬盘块区域。除了贴图，也包括声音、模型等——这叫duplication。比如城市场景中的垃圾袋，可能1.6MB空间占用，如果一个城市里600个街区都有这么个垃圾袋，那就比较悲剧了。游戏在硬盘中所占的空间就会很大。某些游戏开发者对此当然有缓解方案，比如《蜘蛛侠》，不过是以RAM用量为代价的。

高速SSD存在以后，duplication就很大程度上不怎么需要了。SSD带来的同类价值还有比如说，HDD存在“碎片化”问题，早年Windows就有“整理硬盘碎片”这种功能；在SSD之下，开发者不需要在意数据的物理空间问题，游戏不需要在更新过后进行这种操作。还有包括游戏保存操作，可快速完成游戏进度的大批量数据的存储，关机前也不用等待了。

只是以上这些“隐性”提升，PC游戏玩家应该早就享受到了，所以它们实在算不上“革命”性，对游戏体验的影响也都不大。

推及整个游戏行业

索尼和微软在游戏主机与平台的缔造理念上差别还是比较大的。微软更多在想的是与PC平台划一，而索尼则期望引导开发者走他们设想中的路子。起码在这代游戏机上，索尼对存储系统投入的精力是显著大于微软的，也希望开发者未来能够充分利用高速SSD。

这种思路对于整个游戏行业，包括PC游戏，开发方式的转变会是显著的。虽然微软没有过多透露Xbox Series X的存储系统相关信息，但微软有计划将DirectStorage API带到Windows平台。

另一方面，AMD作为跨游戏主机和PC两个平台的芯片制造商，也切切实实影响到了未来这两个平台的游戏相关硬件技术走向——SSD在游戏上发挥作用与AMD也有很大关系，这一点将在本文的扩展阅读中提到。如此一来，SSD本身可能才真正开始逐步惠及整个游戏市场，而不只是一些不痛不痒的小变化。更多充分利用SSD特性的开发成果也才会出现。

当然游戏主机换用高速读取SSD也带来了一些问题。其中最大的问题恐怕在于，825GB的容量有些捉急，实际可用空间667GiB左右。当游戏以百GB级别存在时，这点容量实在不够看。索尼去年虽有提到可支持扩展三方SSD，不过现有PC级别的M.2 PCIe 4.0固态硬盘是真的不便宜，而且还必须够上PS5原硬盘5.5GB/s的规格。索尼似乎到现在也没有公布支持扩容的第三方SSD究竟有哪些。

与此同时，从索尼的介绍来看，与其高速SSD相关的存储I/O架构还挺复杂，起码其定制化程度尤甚。比如说为了减少延迟，索尼针对SSD的I/O命令，搞了一套6种优先级的定制化特性，而NVMe标准本身的优先级特性没这么多。索尼的定制I/O单元虽然可以处理这个问题，但需要额外的开销。

不过总得来说，这些在开发变迁的过程中，始终都算是小问题。无论如何，未来主机游戏，乃至PC游戏的走向大约都将因SSD产生真正的变化，这是以前PC广泛应用SSD未能达到的。

PS5的存储相关架构（选读）

去年索尼公布PS5的配置以后，玩家们的争议还是颇大的。尤其是PS5在算力、RAM配置上不及Xbox Series X，还有像动态频率、图形计算特性缺失等问题。SSD高速I/O事实上也成为一部分人的黑点，认为索尼完全搞错了路子，甚至说PS5已经有当年惨败的PS3的影子了。

起码个人认为，PS5的其他组成部分虽不理想，但其存储与I/O方面的探索是有价值的。前文除了提及这块高速SSD本身，多少也谈到了周边架构，包括SoC之上专门的解压缩单元。本文选读部分，就对PS5相关存储的架构，再做一些简单的阐述——毕竟游戏主机属于定制消费电子产品，而不是PC这样的开放平台。所以系统的整体性，往往比某个高规格的个体重要。

首先是定制的闪存控制器，或者叫主控芯片。12通道的设计，也让PS5的SSD与一般SSD显得很不一样。这个通道数在消费领域基本上没见过，可能也会比较昂贵。不过较高的通道数，要达到5.5GB/s的速率，每通道分到的量也就没那么多了；存储介质用TLC都可。

另外，12通道也是825GB这个看起来颇为奇葩容量的原因，每通道64GiB。索尼有一项相关专门针对游戏主机的DRAMless控制器，以更大的数据块，令FTL（flash translation layer）映射表足够小，可以放到很小的SRAM中；这么做似乎便于节省成本（而且传统4kB请求达到5.5GB/s的速率也很吃力，用更大的数据块会轻松很多）。

这种设计对游戏读取性能而言没什么问题，但对写入会有影响——不过游戏机并不看重这一点。一般PC应用的SSD不会采用这种设计。

Mark Cerny提到系统中的任何潜在瓶颈都需要解决，专门的Kraken解压缩是其中的“解决方案”之一。优化系统中的数据流动，确保流水线整体的高效性，应当也是“定制”主控芯片的着力点。

另外在SoC的I/O模块中，有个专门的DMA（Direct Memory Access）控制器，用于处理来自压缩单元的数据拷贝操作。作为不需要通过CPU，就执行数据读写操作的外围设备，这没什么稀奇。I/O模块中另外有两个比较显眼的I/O协处理器，其中一个用于SSD I/O，另一个用于内存映射，具体职能应当与相关组件的工作分配有关（与存储API强相关）——这俩处理器有片上SRAM资源，这个SRAM用于存储各种查询表。

前文提到索尼PS5的SSD准备了6种数据优先级，这种设定理论上应该是减少特定数据类型的延迟的。比如说前文提到的敌人阵亡时的音效，需要控制在某个固定的延迟内，因为其延迟的可感知性很强。不过6种数据优先级听起来本身又是个高开销的东西。索尼好像挺嫌弃NVMe标准自身的优先级特性可用性。未来可扩展的三方SSD，就需要经过PS5的处理器与I/O协处理器的工作，来模拟这6种优先级。

I/O模块中的Coherency Engines是值得一提的。PS5的16GB RAM是CPU与GPU共享的，其中数据不再区隔不同空间，不需要执行拷贝之类的操作；在数据通过I/O模块载入内存，覆盖旧数据的时候，这里的内存一致性引擎要将缓存失效信号发往所有相关的cache。苹果M1芯片也有类似的特性。不过这一点原本就是AMD的看家本领。

AMD早年就提过HSA（Hetergeneous System Architecture），这是实现不同组件融合的一系列规范。索尼PS3的CELL处理器最早践行过HSA，就是当年Lisa Su还在IBM的时候。（看起来，说PS5是又一个PS3，还挺有渊源；或者说索尼和Lisa Su挺有渊源……）HSA标准下的内存架构，就是GPU、CPU拥有共同的地址空间。

目前能够掌握的信息差不多也就是这些了。从更高层的抽象去分析，存储系统应该放到整个游戏主机系统中去看。不过具体的效率，以及索尼宣传的一些技术，我们自然是无法验证的。无论CPU、GPU选择上是否合理，存储系统的探索对于游戏行业而言都是有价值的。

这其中有一点颇为值得一提，即AMD作为既为游戏机造芯片，也为PC造芯片的企业，其上提到的不少技术可能是双方共享的。比如说Zen和RDNA都有类似PS5这样的压缩和解压缩加速IP；至于具备内存一致性的APU，就更不用说了。这应该也是AMD构想PC领域的未来。

至于PS5在这套系统的完成质量上如何，比如软件API效率等，那又是另一个话题了。有关PS5 SSD及存储系统的更多信息，建议前往观看Mark Cerny的演讲视频。

责编：Luffy Liu