Mark Cerny – “Così ho creato PlayStation 4 Pro”

A tu per tu con l’uomo che ha creato la console più potente al mondo.

Mark Cerny non è ciò che ti aspetteresti da una delle figure chiave di una multinazionale come Sony. Non è un uomo marketing in giacca e cravatta. Né sente la necessità di piacere a ogni costo. È una persona semplice e cordiale, sia chiaro, ma un po’ schiva. Molto più a suo agio con i propri pensieri, piuttosto che tra le “luci della ribalta”.
L’abbiamo incontrato a Londra, pochi giorni fa, durante l’evento “The Future of Play” per la presentazione in anteprima di PlayStation 4 Pro. Nella sessione del mattino era lì in prima fila, ma solo perché il “protocollo” lo richiedeva. Al pomeriggio si è messo in fondo, un po’ in disparte, ad ascoltare Kazunori Yamauchi di Polyphony Digital, durante una sessione tecnica dedicata a GT Sport. Numeri e specifiche tecniche sono decisamente il suo pane.
Parliamo di uno che appena diciottenne, negli anni ’80, ha raggiunto la fama creando Marble Madness, tra i primi videogiochi in 3D e il primo con audio stereo. Già allora gli piaceva esplorare i nuovi orizzonti della tecnologia.

È una figura atipica la sua: a metà strada tra l’ingegnere e il programmatore. Una mente geniale, matematica, rigorosa, abbinata a competenze software e hardware che gli concedono una visione d’insieme privilegiata sul processo di sviluppo di un videogame, dalla prima riga di codice, fino all’output su schermo. Nessuno meglio di lui poteva interpretare al meglio le esigenze di chi sviluppa, traducendole in una console da gioco. Assunto da Sony come Chief Architect di PlayStation 4 si è trasformato nella “marcia in più” di Sony PlayStation.

PlayStation 4 Pro doveva essere, fin da subito, perfettamente compatibile con tutto il software esistente per PlayStation 4.

Come tutti i geni non è semplice coglierne le sfumature. Per comprendere Mark Cerny bisogna entrare nel suo mondo in punta di piedi. E così abbiamo fatto, durante una sessione dedicata alla stampa più tecnica. Eravamo solo in due: il sottoscritto e un giornalista inglese, accompagnati dai PR di Sony.
Mark era lì ad attenderci nei suoi “quartieri”. Immaginate uno spazio grande quanto la sala che ospitava le conferenze, ma rigorosamente off limits per tutti e completamente vuoto, tranne due file di postazioni affiancate, ai lati della stanza. Nel punto più distante c’era lui, solito look “occhiali e golfino”.
Ci accoglie con cortesia ma senza perder tempo in convenevoli, va dritto al punto: “Seguitemi, voglio mostrarvi qualcosa”, accompagnandoci verso una delle postazioni con PlayStation 4 Pro.
Quando è davanti alla sua creatura i suoi occhi si illuminano.

La prima parte del nostro tour personalizzato di PS4 Pro in compagnia di Mark Cerny è focalizzata sul gaming in 4K con HDR. Le TV sono dei top di gamma Sony Bravia ZD9 da 75”. Da una parte c’è Horizon e dall’altra Days Gone. “Guardate Horizon” esordisce Mark mostrandoci una demo del prossimo titolo Guerrilla. “Questo è il 1080p. E questo è il 2160p. Il punto è: c’è un’enorme differenza in termini di definizione”. È vero: la vegetazione, ma anche i dettagli della protagonista, i suoi abiti, emergono in modo distinto passando da Full HD a 4K. In Full HD tutto è più sfocato, ma c’è dell’altro: “Quello che possiamo fare ora è passare dall’SDR all’HDR” prosegue Mark.

La GPU di PlayStation 4 Pro è derivata dall’architettura Polaris di AMD, ma include alcune caratteristiche che nella versione standard di Polaris non sono presenti.

Il problema con le TV che non supportano HDR è che quando gli oggetti della scena sono troppo luminosi, finiscono per diventare bianchi. Con HDR invece gli oggetti conservano il loro colore anche quando sono molto luminosi. La differenza è sostanziale ed evidente osservando il cielo di Horizon: in modalità SDR è molto difficile distinguere il sole dalle nuvole. “Il blu del cielo, su una TV SDR finisce per diventare bianco, con HDR invece si distinguono tutte le sfumature” sottolinea Mark.
Ci spostiamo verso un’altra postazione, dove ad attenderci c’è Days Gone. La scena è quella già vista ad E3: il protagonista è preso d’assalto da un’orda di zombie. Mark si difende lanciando delle molotov…. “Illuminiamo un po’ la scena” esclama. È notte e le fiamme vengono rese in ogni più piccolo dettaglio grazie all’HDR, mentre l’SDR mostra tutti i suoi limiti in presenza di questi picchi di luminosità.

Ci muoviamo verso una terza postazione, con Infamous First Light. L’attenzione ancora una volta è sull’impatto dell’HDR, particolarmente evidente utilizzando i poteri al neon. Con il Photo Mode Mark ci mostra le differenze: “Ecco così siamo in SDR. Ora attivo l’HDR. Guardate che differenza!”.
Mark è sinceramente entusiasta dell’HDR, che considera anche più importante della risoluzione: “I vantaggi dell’HDR si percepiscono pure allontanandosi dalla TV” ci spiega. “Mentre per percepire il dettaglio dato dalla risoluzione non si può essere troppo distanti”.
L’HDR ha anche un altro vantaggio: è poco dispendioso in termini di potenza di elaborazione. “Per questo siamo riusciti a implementarlo pure su PS4 standard” – spiega Mark – “usiamo già il tonemapping. Per l’HDR si utilizza un differente algoritmo. Bisogna passare a un render target a 64 bit invece che a 32 bit, perché ti servono più di 8 bit per componente colore per gestire l’HDR. Ma l’impatto è trascurabile”.

Gli chiediamo se lo scaler della TV e in particolare le sofisticate tecniche di postprocessing dei nuovi Bravia ZD9 abbiano influito su quel che stiamo vedendo. Ma Mark ci spiega che tutti gli effetti di postprocessing della TV sono disattivi, perché creerebbero input lag. Tutto quel che stiamo vedendo a schermo è frutto solo del rendering di PS4 Pro e del lavoro del suo scaler integrato. “L’idea è che in questo modo chi sviluppa giochi abbia pieno controllo sul tipo di resa a schermo dei giochi”. Insomma senza la variabile rappresentata dal modo specifico di gestire l’upscaling che ha ciascun modello di tv 4K in commercio. In questo modo, con PlayStation 4 Pro si è riusciti a ottenere una qualità d’immagine che è molto vicina al 4K nativo.
Mark posa il pad e ci invita ad accomodarci: “Oggi, con voi, voglio andare un po’ più nel dettaglio su ciò che abbiamo fatto. Perché l’abbiamo fatto. E che cosa significherà tutto questo per i giocatori. Ho messo insieme delle pessime slide…”. Per non dimenticare niente ha raccolto tutti i suoi pensieri su un foglio, li raccoglie e inizia la lezione: “Interrompetemi pure!”.

Da quando esistono le console, fin dai tempi di Atari, esiste anche questo concetto di “generazione”. Ogni nuova console rientra in modo ben definito all’interno di una generazione, e ogni nuova generazione porta con sé delle innovazioni tecniche insieme a nuove capacità. Queste capacità permettono di creare nuove tipologie di giochi. Per Cerny un fattore di distinzione importante è rappresentato dalle CPU: “Molti le considerano un elemento secondario rispetto alle GPU” ci spiega Mark“, ma una CPU più potente permette di creare un’intelligenza artificiale più sofisticata o di gestire più nemici, o una simulazione più accurata del mondo di gioco. Si tratta di un punto di svolta per il giocatore”.
Il rovescio della medaglia è che queste nuove capacità impongono a chi sviluppa giochi di adeguarsi e di impegnare molto più tempo e risorse per realizzare i loro contenuti; come risultato si hanno giochi che segnano uno stacco netto con il passato, ma a un costo molto alto.

Cerny porta come esempio l’evoluzione di PlayStation. La prima PlayStation ha indubbiamente rappresentato una grande sfida: “Noi che sviluppiamo giochi abbiamo dovuto imparare a creare mondi tridimensionali, mentre il gaming passava dagli sparatutto a scorrimento agli shooter in prima e terza persona” racconta Mark. E poi trovare il modo per sfruttare le centinaia di Mbyte di spazio messe a disposizione dai CD-ROM. “Suona nostalgico, vero? Parlare di Mbyte oggi…”.
Per i gamer è stato un enorme progresso, ma per gli sviluppatori è stata una sfida senza precedenti. “Credo che circa un quarto degli studi che avevano sviluppato giochi fino a quel momento abbiano chiuso, perché non sono riusciti a far fronte a questo cambiamento” ci dice Mark. PlayStation aveva creato una “discontinuità”.

Poi è arrivata PlayStation 2, che ha aggiunto la possibilità di creare dei mondi di giochi molto dettagliati, a fronte però di un’enorme difficoltà di programmazione: “Era difficile perfino disegnare uno solo di quei triangoli!” – esclama Mark. Un’altra discontinuità.
E PlayStation 3? Cell era praticamente un supercomputer dentro un chip, non tanto per le sue capacità di calcolo, ma per il modello di programmazione a dir poco… esotico. “Trarne il massimo è stato molto molto complicato..” sospira Mark. Era accaduto di nuovo: una discontinuità.
PlayStation 4 è l’esempio di un altro passaggio generazionale: “Per quanto sia molto più semplice da programmare” – precisa Mark – “la mia presentazione agli sviluppatori, in cui parlavo esclusivamente della GPU, era di ben 434 pagine! E ci volevano dalle 8 alle 10 ore per illustrarla”. Pure qui una discontinuità.

Arriviamo a PlayStation 4 Pro. “Lanciando una nuova console a metà di questa generazione l’obiettivo più importante che ci siamo dati era di richiedere agli sviluppatori uno sforzo minimo per supportarla” esordisce Mark. Portando ad esempio Days Gone, dove per implementare il supporto a PlayStation 4 Pro è bastato il lavoro di un singolo programmatore. “L’impegno richiesto dovrà essere una frazione del totale richiesto dal gioco” specifica Cerny. “E crediamo di aver raggiunto quel risultato”.
In aggiunta a questo non era accettabile andare da chi aveva sviluppato oltre 700 titoli per PS4 e dirgli di riprendere il mano il codice e di renderlo compatibile con una nuova console: quindi PlayStation 4 Pro doveva essere, fin da subito, perfettamente compatibile con tutto il software esistente per PlayStation 4. “E questo è il secondo obiettivo che ci siamo dati” – spiega Mark.

Allo stesso tempo però la nuova console doveva avere un impatto molto forte sul giocatore. Altrimenti che senso avrebbe avuto presentarla? “Ci siamo concentrati sulla risoluzione, sulla qualità d’immagine e quindi sul supporto al formato 4K, oltre che sul frame rate” – ci spiega Mark.
In questo modo PlayStation 4 Pro, pur innovando non crea alcuna discontinuità. “Non è l’inizio di una nuova generazione”. Su questo punto Cerny è categorico. E poi aggiunge: “Ma questa è una cosa molto buona. Per l’industria e per i videogiocatori”.
Insomma il tempo in cui il progresso delle console era scandito da generazioni non si è ancora concluso!

Per la GPU di PlayStation 4 Pro è stato adottato quello che Mark Cerny ama definire “un approccio intelligente”. Abbinando quindi un incremento di prestazioni con delle funzionalità specifiche che estendessero le capacità della console ma, aggiunge Mark “senza richiedere un nuovo briefing da 434 pagine agli sviluppatori!”.

Le capacità di PlayStation 4 Pro potranno essere usate in tanti modi differenti.

La prima domanda a cui Cerny e il suo team hanno dovuto rispondere è: quanto aumentare la potenza della console in relazione agli obiettivi che ci si era posti, ossia offrire un incremento sostanziale di risoluzione, dettaglio e frame rate?
“Alla fine abbiamo optato per 4,2 TFLOPS, che è 2,28 volte la potenza della GPU di PS4 standard” spiega Mark. Grazie al miglioramento del processo produttivo (si è passati ai 16nm FinFET) la frequenza di GPU è aumentata del 14%, passando dagli 800MHz ai 911MHz. Inoltre è raddoppiata la dimensione della GPU. “Abbiamo raddoppiato le Compute Unit, passando da 18 a 36. In pratica è come se avessimo affiancato due GPU identiche di PS4 standard” prosegue Mark “Ma in realtà si tratta di una singola GPU, perfettamente simmetrica”. E questo permette di spegnere metà di questa GPU, ottenendo qualcosa di molto vicino a quel che c’è su PlayStation 4 standard. “Per mantenere la compatibilità con gli oltre 700 titoli in circolazione”. Torniamo a uno dei punti cardine del progetto.

Avviando un titolo che non è stato “patchato” per PlayStation 4 Pro sarà lo stesso sistema operativo della console a riconfigurare i parametri di GPU. “Volevamo essere sicuri che tutti i titoli che già possedevate girassero senza problemi sulla nuova console, senza richiedere delle patch di compatibilità”.
Questo requisito impone dei compromessi; lasciando PlayStation 4 Pro “libera” di esprimere le proprie prestazioni potrebbe garantire frame rate più stabili su titoli che magari presentano delle incertezze. Ma allo stesso modo potrebbero verificarsi problemi di compatibilità… Come sottolinea Mark “Non puoi far girare un gioco su un hardware più performante, senza testarlo e dare per scontato che tutto funzionerà a dovere”.

La GPU di PlayStation 4 Pro è derivata dall’architettura Polaris di AMD, ma include alcune caratteristiche che nella versione standard di Polaris non sono presenti e che arriveranno solo con future GPU AMD. Oltre a queste ci sono poi delle funzionalità specifiche richieste da Mark e dal team che ha sviluppato PlayStation 4 Pro. “Servono a rendere più efficiente il rendering per il supporto alla risoluzione 4K oppure a PlayStation VR”.
Per la CPU si è rimasti sulla stessa architettura Jaguar a 8 core, qui l’unico cambiamento è rappresentato dalla frequenza, salita da 1.6 a 2.1 GHz (un 31% in più), grazie al miglioramento dei processi produttivi.
La memoria GDDR5 ha ricevuto un incremento di frequenza del 24%, passando da 176 a 218GB/sec di banda passante. Ci sono sempre 8GB, a cui però si aggiunge 1GB extra di memoria DDR3, necessaria per liberare la memoria principale dalle applicazioni “parcheggiate”, liberando inoltre spazio extra per la gestione di risoluzioni più elevate.

Mark ci spiega il perché di questa scelta: “Quando su PlayStation 4 si passa da un gioco a un’applicazione come Netflix, l’applicazione viene aperta senza chiudere il gioco, mantenendola in una porzione di memoria riservata allo scopo”. In questo modo è possibile passare rapidamente dal gaming alla visione di film. Ma su PlayStation 4 Pro c’è anche da gestire un’interfaccia utente in 4K. E poi i giochi in 4K, lo streaming di video in 4K… “Ci servivano circa 300/400 MB di memoria in più” dice Mark. “Però non volevamo spingerci più in là di un aumento del 10% della RAM complessiva”.

Prendete la console, trasferite i vostri giochi da PS4 e questi funzioneranno senza problemi.

Un GB extra di memoria DDR3 torna molto utile: “Spostando le applicazioni come Netflix sulla memoria più lenta” – spiega Mark – “siamo riusciti a liberare circa 1GB di memoria GDDR5”. La metà viene usata per i giochi, che ora possono usare effettivamente 5,5GB di memoria invece di 5. Buona parte del resto invece serve a gestire l’interfaccia utente in 4K.
Un aumento significativo della quantità di RAM o il passaggio a un nuova architettura di CPU avrebbero creato quella “discontinuità” che si voleva evitare in ogni modo. Con più RAM e una CPU diversa PlayStation 4 Pro sarebbe stata, a tutti gli effetti, una console di nuova generazione.
“Ma sarebbero sorti anche altri problemi”. Mark menziona la compatibilità: “Passando a una nuova CPU, per quanto compatibile a livello binario e ammettendo di risolvere problemi tecnici come consumi e dissipazione, non avremmo avuto garanzie di una perfetta retrocompatibilità, che per noi era cruciale”. Poi c’è il discorso dei supporti fisici: “Con molta più memoria da utilizzare la capacità degli attuali Blu-ray potrebbe non bastare. Bisognerebbe pubblicare i giochi su più dischi oppure ricorrere a un formato differente” – ci spiega Mark – “Anche copiarli su hard disk potrebbe non essere la soluzione, se i caricamenti dovessero diventare troppo lunghi!”.

Restando dunque fedeli ai principi più volte enunciati e rinunciando alle complicazioni tecniche, Mark e il suo team sono riusciti a ottenere una console compatta, dal prezzo competitivo e in grado di garantire una qualità d’immagine molto vicina al 4K nativo. Restando però sempre nella famiglia “PS4”.
Le capacità di PlayStation 4 Pro potranno essere usate in tanti modi differenti: alcuni sceglieranno di privilegiare la qualità d’immagine rispetto alla risoluzione, altri il contrario. “Far funzionare un gioco in 2160p (4K) su PlayStation 4 Pro” – precisa Mark – “non è molto diverso dal far funzionare quello stesso gioco in 1080p su PlayStation 4 standard”. Per i giochi con frame rate fisso, ad esempio a 30fps, l’obiettivo sarà un frame rate più alto. Mentre per quelli con frame rate variabile si punterà a un frame rate più stabile. Sempre senza perdere in compatibilità: “È uno dei motivi per cui siamo rimasti su una CPU con 8 core Jaguar” – precisa Mark – “alzando solo la frequenza”.

Più difficile invece che le caratteristiche di PlayStation 4 Pro (incluso l’extra di memoria) possano essere sfruttate per texture a risoluzione più alta o modelli più dettagliati. Non che ci siano veti imposti da Sony: purché il gioco resti, a livello di contenuti e gameplay, lo “stesso” in tutte e due le versioni, i team sono liberi di lavorare come meglio credono sul fronte della grafica, ma gran parte della memoria extra di PS4 Pro viene utilizzata come buffer. Inoltre degli asset specifici per PS4 Pro richiederebbero un impegno importante da parte di chi sviluppa. E i costi salirebbero. “Ma non è ciò che vogliamo” – spiega Mark – “A noi interessa la semplicità. Supportare PS4 Pro deve essere semplice ed economico. Credo che nessuno dei titoli ottimizzati utilizzi degli asset differenti”.

Il metodo più diffuso per migliorare la qualità delle immagini 3D generate digitalmente è l’antialiasing.

Questa affermazione ha trovato riscontro presso gli sviluppatori da noi intervistati. In effetti tutti hanno menzionato, tra i miglioramenti, la risoluzione più alta, l’introduzione dell’HDR o l’aumento del frame rate. Mentre nessuno ha parlato di texture più definite o modelli poligonali differenti.
“Le cose con PS4 Pro sono molto semplici” – spiega Mark – ”Prendete la console, trasferite i vostri giochi da PS4 e questi funzioneranno senza problemi. In presenza di una patch anche a risoluzione più alta, o con un frame rate migliore”.

DISCLAIMER: I paragrafi che seguono si focalizzano sulle soluzioni tecniche implementate dalla GPU di PlayStation 4 Pro, insieme alle strategie di rendering che permettono alla console di produrre immagini in 4K. Mark Cerny è andato molto nel dettaglio nel discutere caratteristiche e implementazioni, quindi questa parte è rivolta agli utenti più esperti. Se avete difficoltà di comprensione vi consigliamo di proseguire oltre con la lettura.
AMD è un partner fondamentale per Sony e lo sviluppo delle soluzioni integrate “CPU + GPU” (le cosiddette APU) che entrano a far parte della famiglia PlayStation non è mai a senso unico. Non c’è un semplice rapporto “fornitore-committente” insomma, ma le due parti discutono, si confrontano, cercano di definire l’approccio migliore e più sensato, in base alle esigenze che vengono espresse. “Quando discutiamo dei nostri nuovi chip con AMD” – esordisce Mark – “abbiamo la possibilità di guardare tutta la loro roadmap. Non solo i prodotti già disponibili”. Capita quindi che alcune caratteristiche di chip non ancora rilasciati su PC vengano richieste e implementate in anticipo, perché utili a PlayStation. O al contrario che da richieste specifiche di Sony derivino funzionalità che poi verranno integrate anche sulle GPU per PC! Come accaduto con Asynchronous Compute, ossia la capacità per la GPU di eseguire simultaneamente operazioni grafiche e calcoli generici (ad esempio per le interazioni fisiche).

Polaris è un’architettura di GPU molto efficiente e questo ha permesso di aumentare in modo significativo frequenza di funzionamento e performance, mantenendo quasi inalterate le dimensioni della console. Tra le nuove caratteristiche implementate da Polaris Mark cita DCC, ossia Delta Color Compression. Questa funzione è stata migliorata in Polaris e debutta su PlayStation con PlayStation 4 Pro: “Si tratta di una funzione che permette di comprimere al volo le informazioni destinate a frame buffer e render target, riducendo il consumo di banda passante sulla memoria” – ci spiega Mark. È un aspetto importante perché su PlayStation 4 Pro le prestazioni delle GPU sono cresciute molto di più rispetto alla velocità della RAM: 2,28 volte le prestazioni di GPU, 1,24 volte le prestazioni sulla RAM. Ricordate? Le GPU sono “affamate” di bandwidth, quindi risparmiare banda passante sulla RAM è essenziale!
Mark passa a illustrare un’altra funzionalità di Polaris, chiamata Primitive Discard Accelerator. Ce lo spiega in poche parole: ”Si occupa di rimuovere dalla scena 3D tutti quei triangoli che sono troppo piccoli per determinare una differenza visibile in termini di dettaglio. In questo modo si evitano calcoli inutili, migliorando l’efficienza della GPU”. Questa funzionalità è facile da attivare e i benefici sono sensibili, soprattutto quando si utilizza l’antialias MSAA.

Infine tra le funzionalità di Polaris ereditate da PlayStation 4 Pro, Mark Cerny cita un supporto migliore alle variabili a 16 bit, come gli “HalfFloats” (FP16). Fino a oggi con l’architettura AMD non c’erano particolari vantaggi nell’utilizzare variabili a 16 bit, perché internamente, nei registri, ciascuna di queste occupava lo stesso spazio di una variabile a 32 bit. “Con Polaris invece è possibile inserire due variabili a 16 bit all’interno di uno stesso registro a 32 bit” – spiega entusiasta Mark – “il che significa poterne utilizzare il doppio!”.
Su questo si innesta un’altra funzionalità della GPU di PS4 Pro, che invece non è ancora presente sulle GPU Polaris per PC e arriverà solo più avanti con futuri chip di AMD. È possibile infatti eseguire due operazioni a 16 bit contemporaneamente, invece di una sola operazione a 32 bit. “In altre parole” – ci dice Mark, tornando su un’affermazione che già in precedenza aveva fatto discutere – ”la potenza di calcolo della GPU di PS4 Pro in modalità “Full Float” (FP32) è di 4,2 TFLOPS, mentre in “Half Float” (FP16) arriva a 8,4 TFLOPS”. Questa volta però si spinge più nello specifico: “Ogni gioco è diverso. Ma più della metà della variabili credo che potrebbe essere ridotto a 16 bit. Anche se è difficile stimare con precisione quali potrebbero essere, in percentuale, i reali benefici”.
Poi c’è il “work distributor”: “Quando una GPU raggiunge una certa complessità” – spiega Mark – “è importante che disponga di un cervello centrale in grado di distribuire e bilanciare i carichi di lavoro al suo interno, per quel che riguarda il rendering della geometria”. Il “work distributor” di PS4 Pro fa proprio questo, ed è molto sofisticato. Inoltre include dei miglioramenti alla Tessellation, con la possibilità di suddividere meglio il carico di lavoro tra le diverse Compute Unit, in aggiunta a funzionalità di prossima introduzione da parte di AMD, che accelerano il rendering delle scene in presenza di tanti piccoli oggetti.

Mark Cerny ci parla di PlayStation 4 Pro con l’affetto di un padre verso i propri figli, e lo fa con quell’orgoglio misto a consapevolezza che si ha quando questi raggiungono grandi risultati. Snocciola dati tecnici con una naturalezza e una sicurezza disarmanti, mentre ci spiega le novità della console, entrando nel merito di come si sia riusciti a ottenere una qualità visiva così alta a fronte di un dispendio di risorse così basso.
“Raddoppiare la potenza di calcolo della CPU non sarebbe bastato a garantirci la possibilità di eseguire i giochi in 4K. È una questione puramente matematica” – spiega Mark. In effetti il 4K è 4 volte la risoluzione FullHD, ma PS4 Pro offre poco più del doppio della potenza di PS4 standard. Il 4K nativo è decisamente fuori dalla sua portata.

Supportare 4K e HDR, senza ricorrere alla “forza bruta” (e quindi ai costi) messi in campo dai PC non è stato affatto semplice, ha richiesto di ripensare completamente l’approccio al rendering dei pixel, bilanciando risorse hardware e prestazioni. Ne sono nate nuove soluzioni tecniche, che hanno il potenziale per rivoluzionare l’approccio al rendering della grafica 3D.
Il metodo più diffuso per migliorare la qualità delle immagini 3D generate digitalmente è l’antialiasing, ossia quel procedimento volto a eliminare le scalettature dai contorni. Per Mark le varie tipologie di “antialiasing” ricadono sostanzialmente dentro due grandi categorie: c’è l’antialias basato sulla geometria, che si propone di rendere più definiti i contorni dei poligoni, lasciando però inalterato il contenuto. Algoritmi come MSAA, FXAA, MLAA o Geometry Rendering appartengono a questo primo tipo. E poi c’è l’antialias basato su supersampling, che è più dispendioso in termini di risorse, ma che migliora l’intera immagine e non solo i contorni degli oggetti. L’SSAA e il Checkerboard Rendering appartengono a questo secondo tipo: “Non voglio semplificare eccessivamente” – precisa – “ma io la vedo così”.

Il problema quando si applica l’antialiasing è individuare i contorni dei poligoni con precisione, e per farlo serve conoscere con esattezza quali pixel siano effettivamente coperti da triangoli. Ma questa è un’informazione di cui normalmente non si dispone: “Non si può semplicemente guardare alle aree ad alto contrasto nell’immagine e applicare un filtro di bilanciamento” – precisa Mark – “Perché le immagini risultanti sarebbero sfocate”. Alcune tecniche guardano ai dati dello Z-buffer per determinare la copertura. “A volte funziona bene” – dice Mark – “ma quando ci sono tanti oggetti vicini tra loro pure questa informazione non è sufficiente”.

“Quando una GPU raggiunge una certa complessità, è importante che disponga di un cervello centrale in grado di distribuire e bilanciare i carichi di lavoro al suo interno.

Mark ci spiega come ha ovviato al problema: “Per conoscere la posizione di oggetti e bordi, tracciarle da frame a frame ed eseguire un antialias accurato abbiamo dotato PS4 Pro di quello che chiamiamo ID Buffer”. ID Buffer è un buffer indipendente, scritto da hardware dedicato e che contiene l’ID degli oggetti. Viene aggiornato automaticamente e contemporaneamente allo Z Buffer. E’ anche possibile scrivere il numero di uno specifico triangolo all’interno di questo buffer. Se dei triangoli condividono lo stesso vertice a noi interessa calcolare quel vertice una volta sola e per farlo dobbiamo identificare i triangoli. Le CPU moderne non ti danno accesso a questa informazione, salvo che si voglia sacrificare una bella fetta di prestazioni”. ID Buffer risolve il problema.
“La sua implementazione ha richiesto un gran lavoro” – spiega Mark – “Con l’aiuto di AMD abbiamo dovuto riconfigurare la pipeline grafica per permettere di scrivere l’ID dei triangoli a piena velocità”. Grazie ad ID Buffer è possibile sapere con precisione dove sono i contorni degli oggetti e tracciarli frame by frame.

Questa premessa era doverosa per arrivare al punto: “Grazie ad ID Buffer abbiamo sviluppato due tecniche specifiche di miglioramento delle immagini, applicabili a PS4 Pro” – ci spiega Mark – “una più semplice chiamata Geometry Rendering, che serve a migliorare i contorni degli oggetti. E una più complessa, chiamata Checkerboard Rendering, che oltre a rendere più definiti i contorni degli oggetti aumenta anche il dettaglio al loro interno. In particolare texture e effetti speculari”.
Per capire come operano bisogna partire dalle basi. Un pixel tipicamente è definito da due valori: colore e profondità (Z), ma tecniche di rendering come l’antialiasing MSAA usano più colori e valori di profondità per ciascun pixel. Per esempio con l’MSAA 4x ciascun pixel ha 4 valori di colore e 4 valori di profondità.

Il numero di pixel da calcolare con Checkerboard Rendering è esattamente doppio rispetto al 1080p.

La tecnica che definiamo Geometry Rendering usa un formato molto particolare, dove ciascun pixel ha un colore, 4 valori di profondità e 4 ID. Il render target viene settato a 1080p, quindi i colori vengono calcolati per 2 milioni di pixel come nel FullHD nativo. Ma grazie ai valori Z multipli si ottiene una distribuzione molto più uniforme dei pixel, nello spazio 3D. Con una densità paragonabile al 4K nativo. “E grazie all’ID Buffer, ciascuno di quei pixel viene tracciato frame by frame” – precisa Mark – “quindi sappiamo sempre esattamente dove si trovano i contorni degli oggetti”. Dopo aver generato la frame in 1080p questa viene upscalata in 4K, propagando i colori in base all’ID degli oggetti. Il risultato è che, con un dispendio di risorse molto modesto, si riesce a passare dal 1080p al 4K, ottenendo immagini con contorni super definiti. E magari sfruttare le risorse di calcolo disponibili per aumentare ulteriormente il dettaglio delle scene.

Anche se Mark ci tiene a precisare: “Geometry Rendering non è la strategia ottimale da implementare su PlayStation 4 Pro”. Questo perché non migliora la qualità delle texture e degli effetti speculari. Mark ci mostra due immagini prese da Infamous First Light, una renderizzata in 1080p e l’altra con Geometry Rendering 1080p, l’immagine renderizzata con Geometry Rendering mostra contorni molto più definiti, soprattutto sui cavi che risultano molto scalettati in 1080p. Tuttavia il volto della protagonista rimane piuttosto sfocato e non c’è una gran differenza.
Per ovviare al problema si ricorre a Checkerboard Rendering. Il principio sulla carta è “semplice”: l’obiettivo è ottenere un’immagine in 4K, dimezzando però il numero di pixel da renderizzare. Un primo modo per farlo è di eliminare, in modo alternato, la metà delle linee verticali dall’immagine, dimezzandone quindi la risoluzione orizzontale (dal 3840×2160 si passa a un 1920×2160). E ricostruendo poi le informazioni mancanti a partire dalle linee disponibili. “Non funziona molto bene purtroppo” – spiega Mark. Questa soluzione infatti produce delle immagini molto sfocate e piene di artefatti, perché i pixel mancanti sono tutti in fila. Si è pensato allora di eliminare sempre la metà dei pixel orizzontali, ma secondo un pattern a scacchiera (in inglese “checkerboard”), dove a ogni frame il pattern viene invertito. Per cui in una frame si elimina l’equivalente di tutte le “caselle bianche” e nella successiva tutte le “caselle nere”.

Geometry Rendering non è la strategia ottimale da implementare su PlayStation 4 Pro.

Sony fornisce agli sviluppatori degli esempi di codice per aiutarli a implementare queste tipologie di rendering sui loro giochi. Il Geometry Rendering è più semplice e bastano pochi giorni a un singolo programmatore per implementarlo. Checkerboard Rendering richiede invece alcune settimane, sempre considerando un singolo programmatore. Si tratta in entrambi i casi di tecniche che possono essere implementate in una frazione del tempo complessivo di sviluppo di un gioco. Quindi con costi molto bassi, un obiettivo più volte ribadito da Mark nel corso di questa presentazione.
La spiegazione si conclude con una demo dei vantaggi di Checkerboard Rendering. Vediamo Infamous First Light in 1080p e poi in Checkerboard Rendering 2160p, la differenza, in termini di definizione è sostanziale.
“Sono certo” – chiede Mark – “che a questo punto sarete curiosi di vedere un confronto tra Checkerboard Rendering e 4k nativo”. Per scorgere delle differenze siamo costretti ad avvicinarci allo schermo, osservando minuscoli dettagli. Tra Checkerboard 2160p e 4K nativo la differenza, in Infamous First Light, si riduce a un leggero tremolio che appare su un insegna di un negozio, visibile sulla distanza. Si nota di più invece il passaggio da Checkerboard 1800p a 4K nativo. Le scritte sulle insegne dei negozi risultano un po’ sfocate con Checkerboard. Ma anche qui la differenza si nota solo osservando da vicino lo schermo. Mentre nel complesso l’immagine risulta ugualmente dettagliata, con contorni chiari e definiti e una pulizia complessiva ben lontana da quanto permetta il normale FullHD.

Discorso FullHD. Non tutti gli utenti che hanno fatto (o che faranno) il gran salto verso PS4 Pro dispongono di TV 4K. Magari la acquisteranno in futuro, ma al momento utilizzano ancora una TV FullHD. PlayStation 4 Pro ha però qualcosa da offrire pure a loro, oltre che a tutti gli utilizzatori di PlayStationVR (che sappiamo essere limitato a una risoluzione 1080p e non supporta HDR).
Mark ce lo spiega nel dettaglio: “Una delle opzioni quando PS4 Pro è collegata a una TV FullHD o a un visore PSVR consiste nel renderizzare in 2160P usando Checkerboard Rendering e poi usare lo scaler hardware per ridurre l’immagine a 1080p. Lo scaler hardware che equipaggia PlayStation 4 Pro è molto sofisticato. Ed è in grado di analizzare fino a 16 pixel intorno a un dato pixel, quando deve calcolarne il valore. Inoltre la sua latenza è molto bassa. Un altro punto a favore importante rispetto a lasciare che sia il gioco stesso ad applicare lo scaling, oppure all’usare lo scaler della TV.

“Il risultato è simile a un Supersampling” – spiega Mark. Come se fosse stato applicato un antialias molto efficace insomma. I vantaggi sono tangibili, in particolar modo usando PlayStation VR, dove con titoli ottimizzati PlayStation 4 Pro si ottengono delle immagini molto più pulite e definite rispetto a quel che offre PS4 standard. Non è un mistero che questa nuova console sia la piattaforma ideale per fruire, nel modo migliore, della realtà virtuale!
Il Checkerboard Rendering unito allo scaler hardware di PS4 Pro sono destinati a rivoluzionare l’approccio alla grafica ad alta risoluzione. E avranno secondo noi un impatto anche sul modo in cui i PC, in futuro, approcceranno il rendering 3D. Si tratta di una soluzione intelligente ed economica, capace di rendere il vero gaming in 4K alla portata di tutte le tasche, dimezzandone i relativi requisiti hardware.

Durante l’evento “Future of Play” abbiamo avuto modo di provare, su PlayStation 4 Pro, non solo titoli già disponibili al pubblico ma anche delle anteprime di prossima uscita. Per darvi un’idea sulle tendenze in atto: gran parte di questi implementavano una variante del Checkerboard Rendering. Ad esempio Days Gone, Call of Duty Infinite Warfare, Rise of the Tomb Raider e Horizon Zero Dawn usano (o useranno) il Checkerboard Rendering 2160p in presenza di TV 4K. E il Super Sampling con TV FullHD. Rise of the Tomb Raider in particolare ha tre diversi settaggi di qualità su PlayStation 4 Pro, tra cui una modalità con dettaglio base a 1080p ma frame rate aumentato a 60 fps (High Frame Rate), una modalità che migliora gli aspetti visivi mantenendo però sempre la risoluzione a 1080p e il frame rate a 30 fps (Enriched Visuals), infine una modalità 4K per TV UltraHD, con dettaglio base e frame rate a 30 fps. Le prime due modalità sono ovviamente indirizzate anche ai possessori di TV FullHD.

The Last Of Us Remastered, Watch Dogs 2, GT Sport e Infamous First Light usano invece Checkerboard Rendering 1800p. E ricorrono nuovamente al Super Sampling per il supporto alle TV FullHD. Anche Deus Ex Manking Divided usa Checkerboard Rendering, ma a risoluzione variabile tra 1800p e 2160p a seconda della complessità della scena. Tra i titoli che non usano Checkerboard Rendering segnaliamo Il Signore degli Anelli L’ombra di Mordor, che renderizza in modo tradizionale, ma con risoluzione variabile tra l’80 e il 90% del 4K nativo (tra 1728p e 1952p). Poi Paragon, che gira in 900p su PS4 standard e che su PS4 Pro non va oltre i 1080p, introducendo però diversi miglioramenti a livelli visivo. Quindi Uncharted 4, che ricorre al Geometry Rendering con output nativo 1440p poi upscalato a 4K. Infine Ratchet & Clank e For Honor, che usano una tecnica di rendering molto sofisticata, in grado di produrre risultati ancora migliori del Checkerboard Rendering e chiamata Temporal Injection (ideata da Karis/Lottes).
In linea di massima, mentre per i titoli rilasciati precedentemente a PS4 Pro qualunque tipo di “patch” è benvenuto, per i titoli nuovi è desiderabile che, insieme a un eventuale incremento del frame rate o del dettaglio, ci sia anche un aumento di risoluzione nativa rispetto al FullHD. Cerny è molto chiaro su questo punto!

Il nostro tempo con Mark Cerny si conclude qua, con una stretta di mano, la foto di rito e la consapevolezza di aver avuto il privilegio di conoscere, più da vicino, una delle menti più brillanti dell’industria dell’entertainment. Nonostante appartenga all’attuale generazione di PlayStation, questa nuova PlayStation 4 Pro da lui ideata è indubbiamente quanto di più vicino ci sia oggi al concetto di“nextgen”. E dopo averla utilizzata per giorni ci rendiamo conto che è la PS4 che avremmo voluto vedere già 3 anni e mezzo fa, se solo fosse stata… economicamente fattibile! PlayStation 4 Pro dà un taglio netto con il passato. Mette in un cassetto l’HD e il FullHD per guardare oltre, rendendo possibile, già oggi, un vero gaming in 4K. Ad una frazione dei costi rispetto a un PC da gioco.

La tecnologia che Mark ha contribuito a sviluppare è destinata a lasciare il segno, e al di là dei tecnicismi necessari a raccontarla, ciò che più conta è che porterà agli appassionati un reale, sostanziale, tangibile incremento qualitativo dell’esperienza di gioco. Tornando a proporre un fattore di differenziazione importante e rilanciando il guanto di sfida al gaming su PC. Dopo aver ricoperto per anni il ruolo di inseguitrici, le console tornano, con PlayStation 4 Pro, a essere grandi protagoniste. Per PlayStation si tratta di un nuovo successo. Per Mark Cerny di un’altra scommessa vinta. Ma i suoi pensieri, mentre si allontana da noi tornando nell’angolo di questa grande sala, corrono già sicuramente verso la prossima sfida.