La dura tarea de programar para PS3 y Xbox 360

Jos¨¦ Manuel L¨®pez (Almer¨ªa, 1977) es ingeniero de software especializado en programaci¨®n para telecomunicaciones y profundo conocedor de las interioridades del desarrollo de los videojuegos. En este art¨ªculo t¨¦cnico repasa las cualidades y problem¨¢ticas que presentan las dos consolas de nueva generaci¨®n que equipan varios n¨²cleos de proceso desde un punto de vista profesional.

Con la llegada de PS3 tendremos tambi¨¦n el estreno de un nuevo chip llamado CELL del que se ha hablado mucho y sobre el que los desarrolladores de juegos tendr¨¢n que poner su arte y conocimientos para sacarle el m¨¢ximo partido a la consola de Sony.

Algunos ya han comentado que el CELL ser¨¢ un gran procesador siempre que se le pueda sacar todo el rendimiento que de ¨¦l se espera, pero la pregunta est¨¢ en si eso ser¨¢ f¨¢cil para los desarrolladores.

El CELL cuenta con 1 procesador principal (Power Processing Element o PPE) que es b¨¢sicamente una variaci¨®n de un Power PC 970 con una cache L1 de 32KB de Datos y 32KB de Instr., adem¨¢s una L2 de 512KB, todo ello a 4GHz. Junto a este PPE hay ocho m¨®dulos de procesamiento llamados Synergistic Processor Element o SPE, con toda esta artiller¨ªa no es de extra?ar que tenga una marca te¨®rica de nada menos que 256 GFLOPS. Aunque en el caso de la PS3 contar¨¢ con "tan solo" siete m¨®dulos SPE, las cuentas no var¨ªan demasiado.

Cada uno de los SPE tendr¨¢ una memoria ¨²nica de 256KB, 128 registros con una anchura de 128 bits y elementos de ejecuci¨®n de 128bits, se puede decir que cada SPE es una m¨¢quina de 128bits. Con esta capacidad de procesamiento tenemos que cada SPE puede ejecutar 2 Double-Float, 4 Floats o Long integers, ocho integers... etc, cada uno en un solo ciclo de reloj. Adem¨¢s cada SPE contiene siete elementos de ejecuci¨®n de los que solamente dos podr¨¢n estar activos a la vez.

Esta arquitectura, bastante impresionante, tiene un 'pero' y es que cada SPE solamente puede acceder a sus 256 KB de memoria y no ver¨¢ nada m¨¢s 'all¨¢', para pedir una palabra fuera de esos 256 KB se debe acceder a un DMA conectado a un BUS llamado Element Interconnect Bus (EIB). Esto presenta un problema a la hora de procesar grandes cantidades de informaci¨®n, pues hay que optimizar el "troceado" para que no haya p¨¦rdida de rendimiento.

En la PS3 no veremos t¨ªtulos con m¨¢s de 256 MB de texturas, debido a la pol¨ªtica de memoria, mientras que si que los habr¨¢ en X360, aunque es verdad que este link enlaza con lo que comenta un ingeniero de Microsoft, no es menos cierto que la limitaci¨®n est¨¢ ah¨ª.

Sony ha elegido bien, sin embargo, y su consola podr¨¢ ser programada en Cg, C++ y la API de gr¨¢ficos ser¨¢ OpenGL|ES, esta librer¨ªa es un est¨¢ndar con la que muchos desarrolladores est¨¢n acostumbrados a trabajar, no solo en el mundo de los videojuegos sino tambi¨¦n en CAD/CAM y otros. Adem¨¢s, es conocido que la curva de aprendizaje de OpenGL es muy buena y aumenta las posibilidades de encontrar buenos desarrolladores y los estudios podr¨¢n contratar a gente nueva para los desarrollos en PS3. En cuanto a Cg es una excelente elecci¨®n por la facilidad de uso que tiene para los desarrolladores en cuanto a gesti¨®n de objetos gr¨¢ficos, con una gran potencia, yo personalmente no he programado con Cg, pero despu¨¦s de haber visto algunos ejemplos y haber le¨ªdo un poco, desde luego que tengo ganas de probar un poco.

El aspecto m¨¢s duro al que sin duda se enfrentar¨¢n los desarrolladores en la PS3 no ser¨¢ hacer juegos, sino hacer juegos buenos y r¨¢pidos. Y no es que esto sea f¨¢cil para las dem¨¢s, el problema es que esto ser¨¢ m¨¢s dif¨ªcil en la PS3.

Con el esquema del procesador que ya hemos comentado tenemos b¨¢sicamente ocho (o siete m¨¢s el PPE para PS3) elementos de ejecuci¨®n m¨¢s o menos independientes, que se deben usar organizadamente para poder sacarle el m¨¢ximo rendimiento.

Uno de los aspectos m¨¢s complejos en cualquier sistema software que se desarrolle es el hecho de la concurrencia, hacer que varios hilos de ejecuci¨®n se coordinen para un objetivo com¨²n es un problema bastante complejo de afrontar.

Un juego, varios hilos

El desarrollo de un juego con varios hilos de ejecuci¨®n es el nuevo reto de los estudios de desarrollo, los procesadores de las nuevas consolas tienen varios CORES de ejecuci¨®n (XBOX360 cuenta con 3 procesadores en uno, PS3 cuenta con 8 elementos de ejecuci¨®n, un PC puede tener entre 1 y cuatro CORES en un mismo procesador). Este nuevo elemento en el panorama de los juegos no hace mas que enriquecer cada uno de los aspectos de los mismo, podemos tener un hilo de procesamiento para el reenderezado, otro para la f¨ªsica, otro para el sonido y otro para la IA... obviamente las posibilidades aumentan much¨ªsimo cuando cada uno de los aspectos principales del juego cuenta con una unidad de ejecuci¨®n que no tendr¨¢ que compartir. Este enfoque no carece de problemas, pues hay que organizar muy bien la ejecuci¨®n para que la f¨ªsica tenga el resultado junto a la IA y el resto antes de renderizar la escena. En el siguiente art¨ªculo podemos ver este enfoque m¨¢s en detalle .

Sony, consciente de que este va a ser su caballo de batalla, ya desde el principio dio algunas directrices a los desarrolladores para enfrentarse a este esquema de programaci¨®n paralela.

Un o de ellos es, por ejemplo, la cola de trabajo. Si cada una de las operaciones que tiene que realizar la aplicaci¨®n se ponen en una cola de trabajo en orden y seg¨²n se van quedando elementos de ejecuci¨®n libres se les va asignando la tarea tendremos un resultado que organizado a su salida nos ofrecer¨¢ el resultado esperado... obviamente el overhead que supone la organizaci¨®n a la entrada y a la salida de la cola, tanto como la potencia que requiere la soluci¨®n de las distintas dependencias entre las distintas tareas no son gratis. Este esquema ser¨¢ muy valido cuando hay una alta independencia entre las tareas a realizar, caso en el que no est¨¢n los juegos.

Otra de las aproximaciones, por nombrar dos, es que sea el programador quien a base de artificios t¨ªpicos de la programaci¨®n concurrente sea quien realice la coordinaci¨®n entre las distintas tareas y cada una de ellas se va asignando a cada uno de los m¨®dulos de ejecuci¨®n. El problema que presenta esta aproximaci¨®n es que se necesita mucha destreza.

Un ejemplo del dolor de cabeza que esto puede suponer es el QUAKE III Arena, que en su versi¨®n multithreaded era capaz de incrementar el rendimiento nada menos que en un 40%, sin embargo, fue notoria la cantidad de problemas y la fragilidad y poca estabilidad de este tipo de ejecuci¨®n en el juego, que era tremendamente inestable con muchos drivers gr¨¢ficos excepto con unos cuantos. Desde el punto de vista de John Carmack, en la mejora del rendimiento se ve hacia donde van los juegos actualmente, pero en la fragilidad se ve la dificultad a la que se enfrentan los desarrolladores .

Como ¨²ltima nota dejar¨¦ este interesante art¨ªculo en donde se explican los modelos de programaci¨®n y si se puede considerar f¨¢cil o no la programaci¨®n en PS3.

Multiplataforma en entredicho

En definitiva, lo que vemos es un proceso de involuci¨®n en la abstracci¨®n en el desarrollo software, ya que ahora se debe tener muy en cuenta sobre qu¨¦ hardware va a correr cada juego para adaptar el c¨®digo de forma que se saque el mayor rendimiento. Esto es un problema para lo estudios que lo que desean es tener que hacer las cosas una sola vez y poder disfrutar de ese trabajo en el mayor n¨²mero de plataformas posibles.

?F¨¢cil o dif¨ªcil?

Hasta aqu¨ª lo objetivo... ahora lo subjetivo. ?Es dif¨ªcil la programaci¨®n en la PS3?, yo creo que la respuesta es si. Lo cierto que la programaci¨®n de cualquier sistema concurrente conlleva una serie de problemas que en la PS3 se aumentan debido a su arquitectura, sobre si va a ser un problema capital para la PS3, creo que no.