Game Console主要有兩個大的部分組成，一個是Graphics IP，一個是整個遊戲系統的搭建。
圖形API
Graphics IP需要符合相關的程式設計規範要求，通常的程式設計介面有DirectX，OpenGL等。DirectX有多個元件，我們這指的是圖形學相關的Direct3D的部分。下面簡單列舉了DirectX中圖形部分的發展歷程。
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DirectX 1（1995年）二維（2D）影像加速。
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DirectX 2（1996年） 二維圖形增加動態效果，採用平滑模擬和RGB模擬兩種方式對三維圖形進行加速。 -
DirectX 3（1997年） 實現較為簡單的3D效果。 -
DirectX 5（1997年） 霧化效果、alpha混合、紋理壓縮。 -
DirectX 6（1998年） 增加雙線性過濾、三線性過濾等最佳化3D影像質量的技術。 -
DirectX 7（1999年） 加入了座標轉換和光源渲染。 -
DirectX 8（2000年） 引入pixel shader和vertex shader，可程式設計渲染單元。 -
DirectX 9（2002年） Shader model 2.0/3.0，強化了可程式設計部分設計。 -
DirectX 10（2007年） Shader model 4.0, 定義了Unified shader，Geometry shader。 -
DirectX 11（2009年） 引入tessellation/multi-threading/direct compute/shader model 5.0。 -
DirectX 12（2014年） 更底層的API，硬體抽象，提高多執行緒效率等改進。
Direct3D12的圖形管線結構圖
Figure 1 DirectX 12 管線結構圖[1]
上圖是DirectX的邏輯管線結構圖，包含了整個過程中的輸入和輸出的resource view，root signature data，紫色和藍色的部分是主要的流程stage，其中硬體架構實現上分為shader和fixed-function兩種處理型別。其中shader主要在可程式設計單元執行，而fixed-function主要是採用固定管線pipeline設計。
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Input assembler（fixed function unit）負責讀取索引和vertex資料。
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Vertex shader 輸入為vertex，輸出為vertex，主要負責頂點渲染。 -
Hull shader 輸入為patch primitive，輸出為patch control points和patch constant。 -
Tessellator（fixed function unit） 曲面細分單元。為線段和三角形創造新的頂點和連線。 -
Domain shader 拿到HS渲染過的control points和patch constant，以及曲面細分後的位置資訊，將他們變成頂點。 -
Stream out（fixed function unit） 將Geometry的輸出的primitive寫入記憶體buffer。 -
Geometry shader 輸入是各種primitive和鄰接資訊，輸出不同的primitive。 -
Rasterizer（fixed function unit） 光柵化單元，將primitive轉換為pixel或者sample的過程。 -
Pixel shader 負責畫素渲染，輸入為插值後的頂點資料，輸出為畫素顏色。 -
Output merger（fixed function unit） ROP(render output unit)，負責depth-testing，frame buffer blending
從2001年第一代Xbox算起，今年微軟Xbox系列主機已經過了20個年頭，一共發表過4代主要的機型，其主要機型的硬體效能引數如下：
Xbox系列主機硬體引數表[2][3]
Xbox
Xbox是微軟進入TV遊戲主機領域的第一款產品，由Bill Gates親自領導打造，Xbox的研發代號為“Midway”，二戰期間，美軍曾在中途島戰役中一舉擊沉日軍4艘航空母艦，從而扭轉了太平洋戰爭的局勢。代號暗示了微軟與當時強大的日本遊戲主機產業對抗的決心。此時的TV遊戲主機領域，日本人擁有強大的產業，Sony的第一代PlayStation銷量超過1億臺，然而6年未更新的主機效能嚴重落後PC硬體的發展，微軟想搶在Sony前面釋出新一代主機，搶佔先機。
微軟不惜血本的定義了Xbox的硬體效能，Xbox是那個世代最好的主機硬體，之後微軟不斷投入，導致虧損超過40億美元。在爭奪第三方軟體廠商方面，微軟也不惜採用補貼開發資金和包攬廣告費等非常規手段。遊戲主機市場變成了微軟、索尼、任天堂三足鼎立之勢。
Xbox 360
Xbox 360的推出比PS3整整早了一年。當時的半導體發展速度甚至超越了摩爾定律，2005年，Intel公司已經推出了雙核3.6GHz的PentiumD 9xx系列處理器，因此，Xbox360的處理器頻率直接比前代Xbox翻了4倍以上。此外，圖形API的發展也突飛猛進，DirectX8.0中引入vertex shader和pixel shader使得3D渲染使得遊戲顯示效果大幅提升，3D遊戲爆發式增加。但急於搶佔市場先機的微軟未把握好產品質量，產品推出之後1年，三紅事件集中爆發（主機電源按鈕指示燈亮起3個紅燈），微軟並未公佈三紅的原因，但大多數情況系統處於高負載狀態，三紅事件使得遊戲玩家體驗不佳，微軟信譽受損。
Xbox One
在經歷了Xbox360的三紅事件後，微軟將系統的穩定性放在了重要位置，決定採用半定製的方式和AMD開發新一代的Xbox產品，Xbox One的SOC使用了AMD的處理器核心和graphics IP為基礎搭建。因此在遊戲開發方面，Xbox One也可以利用已有的PC軟體棧進行遊戲設計。不過定製晶片也導致了Xbox One的高成本，高達499美元的發售價格比PS4貴了整整100美元。後續微軟還推出了兩款改良機型Xbox One S（2016.8）和Xbox One X（2017.11），以增強圖形效能和支援4K/60fps。
Xbox Series X
從Xbox one到Series X的3年裡，工藝從28nm進化到7nm，頻率並沒有多大的提高，但是電晶體密度的增加使得儲存和運算都進行的大幅提升，圖形處理技術也有了不少突破，包括DLSS,Ray-tracing等新的渲染方式加入。和AMD合作多年後，微軟也組建了自己晶片的研發團隊，但是大部分的IP還是由AMD提供，包括核心的顯示處理和CPU部分。CPU使用的Zen2是由AMD的明星架構師Jim keller領導開發的Zen的第二代產品。GPU也是基於定製的AMD RDNA2的架構。
Game console的圖形效能主要取決於CPU、Graphics IP和獨立視訊記憶體的效能，遊戲console的SOC在幾乎和PC相同的功耗下，需要提供更好的遊戲效能，更小的機箱尺寸，更小更靜音的風扇設計，因此需要更多創新的設計來保證系統工作的穩定性。這裡我們以Xbox Series X為例，分析一個game console的系統組成。
下面是Xbox Series X的SOC結構框圖。
Figure 2 Xbox Series X SOC架構圖[4]
CPU部分包括2個zen2 core組，每個組裡面4個core，每個core有512KB的L2 cache，每個組有4MB的L3 cache，每個core裡面有2個256b的SIMD浮點處理單元。
GPU基於AMD RDNA架構定製，一共12Tflops的浮點處理能力，支援可變速率渲染，光線追蹤，部分駐存紋理，一共2個shader engine，每個shader engine裡面2個shader assembly block，每個shader assembly block裡面7個workgroup processor（WGP），一共有28個work-group processor。裡面還包含了一些專用圖形fixed-pipeline單元，color/depth，Raster，Prim，shaderInput，Geometry，以及一些系統模組，如command processor，GDS，DMA，display。Graphics IP裡面採用了4級的儲存結構，L0$ – L1$ – L2$ – GDDR。另外，每個shader engine中有一個WGP（灰色）用於harvest來最佳化產品的yield。
Figure 3 Xbox Series X 圖形處理IP架構圖[4]
互聯和IO部分，Xbox Series X使用了3個Hub分別用於媒體、系統、IO處理，L2 cache和GDDR之間採用了scalable data fabric，一共20個channel。I/O則採用了8lane的PCIE4和HDMI2.1。
片外GDDR6記憶體一共16GB,其中10GB提供560GB/s的頻寬，其中6GB提供336GB/S的頻寬。
多媒體部分，支援4個顯示器輸出，影片編解碼器提供4K/8K的AVC,HEVC/VP9 HDR 解碼，AVC/HDR編碼。另外還有一個聲音處理器單元。
安全部分，片上有一個hardware security processor負責整體的安全方案，mediastreaming platform(MSP)負責遊戲的加解密版權和壓縮方案。
總體上，Xbox Series X 提供了Xbox One X 2倍的GPU效能，2.4倍的GPU perf/w, 3倍的CPU效能，1.7倍的記憶體頻寬，2倍的IO頻寬。
Figure 4 Xbox Series X 塔形機箱內部構造圖[4]
Xbox Series X的機箱比傳統的遊戲機箱小了20%，為了滿足功耗和散熱需求，Xbox工程師進行了多種策略來處理散熱問題，上圖是整體塔形機箱的設計，按機箱的擺放方向，最上層是光碟機和PSU電源模組，下面是南橋的PCB，再下面是中央底座，下方是SOC的PCB,風扇處於南橋和SOC PCB之間，最下面是heat sink。SOC的PCB也分成了2面，上下層分佈不同的晶片便於分開散熱。
另外，SOC晶片功耗管理設計方面，Xbox Series X也有很多創新的設計：
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PSM (power supply monitor)使用片上的電壓monitor來穩定電壓。
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DLDO (digital low dropout regulator) 每個CPU core提供不同的工作電壓。 -
Fine Grained DVFS (dynamic voltage frequency scaling) 最佳化voltage和frequency的曲線，在同樣的頻率下能夠使用更小的電壓。 -
CLDO (chip low dropout regulator) 每個chip使用不同的的電壓，減少CPUL2/L3的power消耗。 -
DC-BTC (direct current – boot time calibration) 對DC電壓調節器的耐受和老化進行標定來減少電壓。 -
Process re-centering 調整半導體制程工藝（Vt，ldsat）來最佳化功耗和效能。 -
Vmin search 使得每個chip高負載場景下有不同的電壓最小值。 -
Power states 為不同的工作場景設定多個GPU/CPU/fabric/memory的power state，從而節約功耗。 -
Configurable GPU WGP setting 提供不同場景下yield和power之間的tradeoff
微軟花費了數百億美金進入TV遊戲產業，從軟硬體出發，打造了4代game console後，已經站穩腳根。打造一臺跨越數年生命週期，效能穩定優秀，並且軟體容易開發，移植相對容易的game console主機是一件很不容易的事情。核心SoC在遊戲主機中起到的關鍵的作用，也是非常典型的定製SoC案例，非常值得分析和討論。
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