深入Xbox Series X：如何设计高性能低噪音的游戏主机
在所有 Xbox Series X 的特性里，估计一般玩家第一眼能看到的就是它那与传统主机截然不同的外观样式。在这样一个小巧的长方体机身中包含了强大的性能。设计团队为何选择这种与一般主机完全不同的结构，设计上和以往的游戏主机又有哪些不同和挑战呢？Digital Foundry 这篇深度文章将带你一探究竟。
原文来自Digital Foundry，原标题《Building Xbox Series X: why Microsoft redefined the console form factor》，作者：Richard Leadbetter。
本文对原文进行了一定程度的编译，使其有更好的阅读体验，图片来源为微软官方，iFixit，以及 Digital Foundry 和 Austin Evans 的视频。
Xbox Series X
在设计 Xbox Series X 这台主机的初始，研发团队只能纸上谈兵，没有能拿来测试的东西，没有衡量的办法，仅仅知道它的性能会非常强大，并且需要一个完全不同的主机设计思路。
设计之初的基本要素之一是性能这个硬性指标。Xbox 系统架构师们在最初给这台主机顶下的性能目标就是 GPU 图形性能至少为 Xbox One X 的两倍，也就是指 12TF 浮点性能，CPU 至少达到 Xbox One X 四倍性能，且为 Zen 2 架构。
另一方面，Xbox One 家族低噪音的优良传统也被团队纳入最初设计目标当中。Series X 在噪音控制上至少要与 Xbox One X 的表现齐平。
在高性能的同时兼顾低噪音和小巧机身，诞生出了如今我们眼前的主机设计。Xbox Series X 的主板被分成了两块：一块是负责性能输出，搭载了主处理器、GDDR6 内存、稳压器等部件；另一块是南桥，也就是负责 I/O 处理的板子。两块主板安在一个铝合金骨架的两面。
可以看到Xbox Series X的主板分成了两个部分
有趣的是微软又在主板上留下了彩蛋，而且这次两块主板都有。你会发现两块主板上都有一条蛇，明示了此前传闻中 Xbox Series X 的开发代号“Anaconda”（巨蟒）属实。从 Xbox One S/X 的情况来看，最终这两条蛇也会依附在零售版的主板上。
主板的两部分都有“巨蟒”的彩蛋图案
以往的 Xbox 主机里通常会有一层像外骨骼一般的金属遮罩，把内部器件全部包裹起来。这一代的设计完全变了样，不再有这种全包裹设计。中间的这块铝合金骨架如同 Series X 的脊柱，研发团队在它的基础上构建主机的样子。
“这是这台主机里我最喜欢的部件。”微软首席设计师克里斯·胡雅夫斯基（Chris Kujawski）说道。
主板的两个部分（绿色）分别在铝合金骨架的两侧，创造了良好的散热环境
散热设计同样重要，微软将 Series X 的散热设计称为“平行冷却架构”。由于这块铝合金脊柱将主板分成了两块，自然主机内部空间也分成了两块平行区域，“平行冷却”的名称就此而来。此外，脊柱根据主机内产生的热量大小进行了非等量分割。这样就给了散热创造了良好条件。
铝合金骨架还干了一件事，就是让内部硬件的排布如俄罗斯方块一般错落有致。倘若我们拆开外壳看一眼，就能知晓主机的内部器件结构，以及它们是怎么拼在一起的。
“很有趣的一点是，如果你回顾以前的世代，我们总是会在这些内部器件外部加上一层精制的金属壳，像一个法拉第笼。”Xbox 电气工程总监安德烈斯·赫尔南德斯（Andres Hernandez）说道，“这一次，我们得想得更开一些。我们有了板载级别的挡板。通过这些局部挡板代替了巨大的金属罩。”
比如Xbox One S里面就有一层金属壳
其中这三块挡板根据各自区域的情况都做了不同的外形设计，使其保证挡板下的部件有着足够的进风量或者散热水平。
两块主板往脊柱上一拼，三块铝合金挡板分别往两块主板上一扣，散热器盖在处理器主板的挡板上， 蓝光光驱和电源盖在 I/O 主板的两块挡板上，最后把风扇装在顶部，塞进外壳，主机就成了。
一切为了散热和静音
接下来是这代新主机的一个重要变化部件：为 Series X 打造的固态硬盘。它本身也有自己的散热问题需要解决。PC 的 NVMe 固态硬盘如果过热的话性能是会下降的。为了保证性能稳定，对于这块 NVMe 固态的散热工程团队也下了不少心思。
固态硬盘如果过热，就会导致性能下降
“这块 1TB 内部模组的吞吐量在 3.8W 的功率下达到了 2.4GB/s，非常惊人。由此带来的挑战也很大。”赫尔南德斯说道。这块固态模组的大小为 22*33mm，非常迷你，它产生的热量又该如何全部散去？“这是我们重新思考散热方案的原因之一，毕竟这么小的部件有着这么大的信息流密度。”
最终微软的做法是在其外部增加一层热流偏向（Thermal Bias Springs）散热板，铝合金骨架针对其位置做了突出设计，让该散热板能与骨架直接接触，使热量传导至骨架本身，再通过流动的空气把热量带走。这个设计就耗费了大量工程资源来让它正常运作。扩展固态硬盘的接口部分也做了相同设计，确保其表现和内置固态同样出色。
突出的部分让散热板能与骨架直接接触，使热量传导至骨架本身，然后再通过空气带走热量
微软显然从 Xbox One X 的均热板散热系统中获得了不少经验，这次的设计更加激进大胆。主处理器上的巨型散热模块同样惹人注目。它真的非常非常大，中间底部是一块非常大的均热板，上面是铝合金散热片。它大到足以覆盖到处理器及周边 GDDR6 内存颗粒等部件，为这个区域提供统一散热方案。
巨大的铝合金散热片
“我们有非常强大的稳压器，在这种能量密度如此高的地方，散热同样是个挑战。”赫尔南德斯说道。微软的工程师做了两个措施。第一，他们把均热板覆盖到了 GDDR6 内存。这非常有意义。内存本身的巨大带宽意味着高密度的信息流，也就意味着高热量。第二点，就是把均热板再覆盖到稳压器，毕竟这是整台机器里能量密度最高的地方。
新主机的内存颗粒围绕在芯片周围（上图绿色）
为了达到静音目标，还需要多个部件的协同配合。硬件层面实现这一目标的开端就是处理器自身。处理器会不断从周围的二极管收集数据进行监控，再通过一个系统固件中的风扇算法让整个系统在保持“冷静”的同时也尽可能安静。
“对于这种性能，你必须有足够多流动的空气进行散热，同时你还要让它安静地动起来。”Xbox 硬件团队机械工程总监吉姆·华尔（Jim Wahl）说道，“我们研究了很多让空气流动的方法，发现一个单轴风扇对于我们的系统而言是最安静最高效的。”
团队给这枚大风扇做了非常多的定制化设计，比如叶片数量、叶片的几何形状、轴承类型、轴承表面……甚至是风扇外框四角的曲线弧度都为了安静和效率做了精心调教。
自Xbox One S以来，士官长彩蛋仿佛已是必不可少的设计了
机箱的设计让人感觉这台机器内部非常紧凑，没有多少剩余空间。不过对于 Series X 而言，风道才是关键。机箱顶部、底部、背部都留有大型通气孔，保证足量的空气能进入箱体。结果是喜人的，在各种散热设计的加持下，Series X 的散热气流量比本世代主机要多出 70%，经过散热片的气流量要多出 20%。
而垂直光驱和散热片的体积最终决定了 Series X 正方形底面的设计。顶部的弧度不仅仅是为了更好的散热，同时也是这台主机的一个标志性的设计 —— 不同的视线角度会有不同的观感。团队在散热孔下面加了一个绿色层来加强这种视觉变换效果。
注意看主机顶端（左侧）有一个绿色的散热层
从上看应该是这样的
Xbox Series X的散热图
在 2019 年的 TGA 上，Xbox Series X 外形的公布激起了网友制作表情图片的热情，以至于微软官方也加入其中，直接拿一台冰箱与它对比。看似争议的外观背后是基于大量测试者的反馈所作出的决定。
“我们向他们展示这种外观，问说‘你觉得怎么样？对你的胃口吗？把你的 Xbox 拔下来，再把这个插上去。是否适合你的柜子？你会向朋友展示它吗？’令我们感到欣喜的是，绝大多数人都喜欢这种设计。”胡雅夫斯基说道。
Xbox自己也调侃了一下自己的新主机
手柄大厂的手柄设计思路
Xbox 手柄是微软引以为豪的一个产品。此前大获好评的 Xbox 无障碍控制器影响了如今次世代 Xbox 主机的研发方向。可及性（accessibility）成为团队给每个产品设计的基本要求之一。“就像我们会谈论性能、规格、可靠性一样。可及性也是横跨我们所有硬件和包装设计里所需要考虑的部分。”
新手柄的外观变化不大，最显著的变化就是分享键和仿精英手柄设计的方向键。微软所收集到的反馈中玩家对此前 Xbox 手柄的设计非常满意，那么新手柄的关键就在于如何将这种满意度拓展至更多人群。
“在所有反馈的主题当中，人体工程学排第一。”微软高级设计师瑞恩·惠克特（Ryan Whitaker）说道，“你能让这玩意更舒服吗？我手有点小，你能让它变得更称手吗？连接性，我有所有这些新设备，我想在这些设备上玩 Xbox 游戏，你能让它与设备的配对更简单吗？分享，捕捉画面并分享已经成为游戏生活中非常重要的一部分。”
如今的 Xbox 手柄能覆盖到 95% 的手型，在这基础上团队希望更进一步。他们首先保留原本的基本设计，保证如今的外设，比如聊天扩展按键，能够继续在新手柄上获得良好支持。然后再进行精雕细琢，一些细微变化使得新手柄的舒适度能覆盖到几乎所有人群。
“玩家们对于如今的手柄已经有很多肌肉记忆，”惠克特说道，“我们发现一些能提高可及性的方法是让扳机键（LT/RT）的一些角更加圆滑。”在扳机键的地方团队修改了几毫米的空隙，同时角度调整了一度。
此外扳机键和肩部按键（LB/RB）的表面也效仿精英手柄，从镜面改为了磨砂处理，同时还加了一些防滑纹理。微软表示无论是湿手还是干手，都能获得良好的操作体验。“所有这些角度、高度、材质都做了调教。哪怕是 0.1 毫米的变化人们都会感受得出来。”
其他方面，比如摇杆的高度，出于肌肉记忆的考虑团队没有去改变它们。
还有比较关键的一点是，新手柄保留了五号电池的供电设计，而不是选择精英手柄二代或是 Dual Shock 那种内置电池的方式。有人认为这不够与时俱进，也有人认为这样可以在没电时快速恢复供电，是很方便的设计。
Xbox 项目管理总监杰森·罗纳德（Jason Ronald）解释说，他们收到玩家对五号电池的反馈非常强烈，于是就顺水推舟保留这种设计。要是想拥有类似精英手柄二代那种内置电池的效果，玩家可以单独购买官方的同步充电套装。
此外，新手柄为了降低输入延迟，在软件层面上做出了改动。这个变化在未来也会通过更新推送给所有如今的 Xbox One 手柄和主机。
微软如今公布 Xbox Series X 如此详细的主机细节，确实让人大饱眼福。不过目前离最终发售日仍然有一段不小的距离，问题依旧不少。比如最终零售版的表现究竟如何？它的造型该如何与媒体柜很好地契合？以及有个最大疑问就是，如果传闻中的第二台次世代 Xbox 主机真的存在，那么它会是什么样子呢？期待微软日后透露进一步的消息。
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