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深入任天堂GameCube（上）

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2001年09月15日12:44

随着任天堂GameCube和微软XBOX的发布，新一轮游戏主机大战即将打响。从官方公布主机性能指标上来看，好象NGC是最弱的，不但比不上性能超强的XBOX，甚至连早就已经发布了的PS2都比不过。但事实真是如此吗？NGC的性能真的很弱吗？NGC能否提供足够多的多边形来表现越来越漂亮的游戏画面呢？要回答这个问题，我们需要先来复习一下NGC的主要性能指标：

·MPU（Microprocessor Unit，微处理器），IBM Power PC “Gekko”。相当于电脑上的CPU，是专为GameCube定制的，采用0.18微米工艺以及铜布线技术制造。

·时钟频率：485MHz；

·处理器性能：1125 mips （Dhrystone 2.1测试结果）；

·内部数据精度：32位整数以及64位浮点；

·外部总线带宽：1.3GB/秒（峰值），32位地址及64位数据总线，162MHz；

·内置一级缓存大小：32KB指令缓存以及32KB数据缓存（8路）；

·内置二级缓存大小：256KB（2路）；

·GPU：系统LSI（大规模集成电路），代号“Flipper”。

·制程：0.18微米，采用NEC Embedded DRAM嵌入式内存技术；

·时钟频率：162MHz；

·嵌入式帧缓冲：2MB左右，6.2纳秒（1T-SRAM）；

·嵌入式材质缓存：1MB左右，6.2纳秒（1T-SRAM）；

·材质读取带宽：10.4GB/秒（峰值）；

·系统内存带宽：2.6GB/秒（峰值）；

·色彩及Z缓冲精度：各24位；

·图象特效：雾化、子像素抗失真（Subpixel Anti-aliasing）、8硬件光源、阿尔法混合、虚拟材质设计、多重贴图/凹凸/环境映射、MIPMAP、双线性过滤、三线性过滤、实时材质解压缩（S3TC格式）等；

（下列与声音部分有关的组件已整合在系统LSI中）

·音效处理器：专用16位DSP；

·指令内存：8KB RAM + 8KB ROM；

·数据内存：8KB RAM + 4KB ROM；

·时钟频率：81MHz；

·最大同时发音数：ADPCM，64通道；

·采样率：48KHz；

·系统浮点运算能力：10.5G FLOPS（峰值，CPU+几何引擎+硬件光照）；

·实际多边形生成能力：6百万～12百万/秒（这是实际游戏中的性能，包括了复杂的模型以及贴图等）；

·系统内存：40MB；

·主内存：24MB，10ns，1T-SRAM；

·A-Memory（用途不明，可能是为并不需要很高速度的设备提供缓冲，例如光驱、音频等）：16MB（DRAM，81MHz）；

·光驱：恒定角速度方式读取，平均访问时间128毫秒，数据传输率16Mbps到25Mbps；

·存储介质：8厘米（3英寸）DVD光盘，采用特殊技术制造，最大存储容量为1.5GB；

·输入输出接口：

游戏手柄接口 X4
记忆卡插槽 X2
模拟AV输出 X1
数字AV输出 X1
串口 X2
并口 X1

首先我们需要说明一点：任天堂公布的6～12百万多边形/秒这个数值相当保守，在发布NGC的当天，任天堂公布了两段关于《星球大战：流浪中队》的演示动画，开发此游戏的Factor 5公司（当然，是和卢卡斯（LucasArts）合作开发）指出，游戏中的画面用到了大约1200万多边形/秒，而这仅仅是NGC全部性能的50%，实际上NGC所能提供的最大多边形生成速率为2000万多边形/秒，而且这些多边形是已经经过了所有特效处理的，包括渲染、纹理等因素，所以说NGC的性能十分强大，只不过任天堂不象SONY和微软那样过分宣扬主机性能罢了。以下是Factor 5公司总裁在德国电视游戏站点maniac online上对这两段Demo所做的说明：

·这两段Demo都是实时生成的，并且只用到了NGC全部机能的50%；

·X-Wing战机是由Industrial Light and Magic（ILM）生成的原始模型，大约由30000个多边形组成，而飞行员则是由4000个多边形组成；

·两段Demo都运行60fps下，并且有双缓冲、真彩色、全屏抗失真和抗闪烁效果；

·第二个死星的表面是根据电影重建的，比例为1：1。由300个多边形组成，每个多边形都使用了512x512大小的真彩色材质。在Demo中可以看到25个这样的死星，以及70架钛战机和X-Wing战机出现在屏幕上。每幅画面中都包括20万个多边形，而且速度为60fps，大家自己算算多边形生成速率是多少？（60fps x 200000 = 1200万多边形/秒）而且这个数字还是在加了8光源、光泽、污垢以及凹凸贴图后得出的（要知道8光源会对性能造成极大影响，在3DMark 2001测试中，GeForce3开了8光源后性能下降了一倍多！）。

·允许在同一个周期里实现以下所有特效：Alpha（阿尔法混合）、 Bump Mapping（凹凸映射）、 Gloss Mapping（光泽映射）、Specular Highlights（镜面高光）等。并且可以在一个周期里完成8层贴图。

·2MB的帧缓冲是一种渲染缓冲，当一帧画面渲染好了之后，会被送到主内存中，而且是已经完成了抗失真和抗闪烁处理的。

·1MB的材质缓存会在渲染的时候自动填充（填充什么？材质缓存里当然是填充材质了），这个交换动作是由T&L引擎触发的。经常使用的材质能够被“锁定”在缓存中。

·A-Memory的主要作用是为音频部分提供缓存，但也可以被一些不需要很高速度的设备使用，可以节省主内存空间。

·芯片内嵌的2MB帧缓冲只会包含当前正在渲染的帧和Z缓冲的数据，双倍/三倍缓冲是存放在主内存中的，因为视频数模转换器（DAC）可以从主内存中直接读取图像数据。渲染一幅图像时，多边形数据会被发送到T&L单元中，并自动完成将材质读取/交换到材质缓冲的动作。而材质则会在渲染的时候解压缩，所以没有压缩的材质不会占用内存空间。

罗罗嗦嗦地说了半天，干脆大家自己去下载这两段Demo看看吧，效果非常惊人，感觉跟电影没什么两样，这可是实时生成的游戏画面哦！实际玩起来一定会很爽的，两段Demo一共30MB左右，下载地址：

http://cubemovies.ign.com/media/previews/video/rogue2/ign_starwars.mpg

http://cubemovies.ign.com/media/previews/video/rogue2/ign_starwarslarge.mpg

GameCube的主板

上图展示的就是任天堂GameCube的主板了，可以看到此主板非常简洁，跟我们平时常见的PC主板大不一样，比较复杂的元件只有五个——标有IBM字样的是CPU“Gekko”；标有ATi和NEC字样的则是GPU（图像处理器）+北桥+音频处理器的超大规模集成电路，也就是开头规格部分提到过的“LSI”；上方两块一模一样的、长方形BGA封装的芯片是总容量为24MB的1T-SRAM，系统主内存，频率为324MHz；左上角则是81MHz的A-Memory，传统TSOP封装，16MB，DRAM。估计GameCube“游戏方块”的名字就是从这种设计结构中得来的，整个主板的大小仅相当于一个CD盘盒，高度集成的好处是可以降低成本，而且性能也非常强大。

这是GameCube的系统方框图，看起来A-Memory内存与系统LSI之间的带宽很小，仅有81MB/秒。但A-Memory主要是为音频部分提供缓存，以及其他一些对带宽要求不很高的设备使用，简单算一下就知道了，音频部分所需要的带宽仅为：64（通道）x 48000（采样率）x 16bits（数据宽度）≈ 6MB（每秒）。所以81MB/秒的带宽完全能够满足需求。据任天堂内部人员指出，“Flipper”里的音频部分有其自己的数据通道，所以并不会占用主内存通道，更不会影响图像芯片的工作。

主内存

GameCube另一个令人惊讶的地方，是它采用了24MB 1T-SRAM作主内存。这种1T-SRAM是Mosys公司开发的，用在GameCube上的24MB 1T-SRAM速度为10纳秒，但这种1T-SRAM并不象Rambus和DDR那样通过加大带宽来提高速度，它在存取非线形数据的时候要比目前所有内存技术都快，尤其是在重复的随机存取时（例如游戏中复杂的人工智能运算）更能体现出它的优势。但对材质存取则没有什么帮助，因为材质在内存中是以线形方式存储的。不过材质数据的存取速度也不会因此而降低，因为主内存的带宽毕竟有2.6GB/秒，而且“Flipper”内部还有1MB的材质缓存可以派上用场，通过这1MB材质缓存存取数据要比主内存快得多，能够非常有效地提高重复材质的存取速度。

芯片的尺寸

由IBM定制的Power PC“Gekko”处理器主频为485MHz，内置256KB二级缓存，都是0.18微米加铜布线工艺制造的。虽然内置了256KB二级缓存，但IBM仍然把这块芯片的核心做到了43平方毫米——只有平时常见的铜矿CPU核心的一半大小！而图像芯片技术则来自ArtX公司，采用嵌入式内存技术，也是0.18微米工艺制造，核心大小为120平方毫米，仅仅比铜矿的核心略大一点，跟世嘉的游戏主机DreamCast里用的CPU，日立SH-4差不多大。况且其中不光是图像部分，还有嵌入式的SRAM内存以及音频处理器部分，所以说集成度非常惊人。芯片面积减小，意味着从一大片硅晶元中能切割出更多的芯片，随之而来的当然是成本降低。

GameCube内部的这两个芯片都被十分厚重的散热片包裹着，只是在主机的通风口处有一个风扇而已，说明这两块芯片的发热量都不高，不必象电脑那样，给显卡和CPU都加上风扇。“Flipper”中共有5100万个晶体管，其中有一半是嵌入式的内存（2500万个），另一半（2600万个）则是逻辑电路。“Flipper”共有3.1MB内嵌式存储器，2.1MB为帧缓冲，共分128个Bank；还有1MB材质缓存，分为512个Bank。

[未完待续]

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