[강좌] 2. 광속 메모리 아키텍쳐

(1) 제한된 대역폭에의 도전

제한된 대역폭에의 도전

실시간 3D 그래픽은 전체 PC 아키텍쳐에 상당한 부하를 주는 작업이다. 그래픽 작업의 특성상 이는 PC의 각 요소요소에 모두 관여한다. CPU, 메모리, 그래픽 버스(일반적으로 AGP), 그래픽 프로세서(GPU), 그래픽 메모리(프레임 버퍼) 등이 여기에 포함된다. 그래픽 어플리케이션들은 각기 그 특성에 따라 여러가지 영역에 스트레스를 주는데, 때로는 하나의 컴포넌트로 인해서 특정 어플리케이션에서의 성능을 제한시키고 이로 인한 연쇄효과를 일으키기도 한다. 시스템에 가해지는 과부하는 세가지로 요약되는데, 바로 많은 연산 요구량과 지오메트리 연산, 픽셀 렌더링이다.

3D 그래픽에서의 문제

그래픽 어플리케이션이 어떻게 동작하는가를 이해하는 것은 그래픽 성능과 대역폭의 효율성을 보다 향상시키기 위한 어려가지 시도를 이해하는 중요한 열쇠이다. 인터액티브 비디오 게임같은 일반적인 그래픽 어플리케이션은 게임의 진행을 담당하는 로직, 장면의 관리, 지오메트리 연산, 픽셀 렌더링의 네가지 주요 부분으로 구성된다. 각각의 역할에 대해서 알아보자.

게임 로직

강력하고 인터액티브한 3D 어플리케이션은 사용자들이 이에 흥미를 가지고 재미있게 느낄 수 있게 하는 여러가지 요소를 필요로 한다. 게임 로직은 물론이며, 물리적 시뮬레이션, 인공지능, 네트웍, 상호반응성, 음향 등등의 비 그래픽적 기능들이 몇가지 예가 될 것이며, 이들이 원시 게임 엔진의 코드를 구성하는 요소들이기도 하다. ‘좋은 컨텐츠’를 만들어내기 위한 중요한 요소는 인터액티브한 경험을 끌어들일 수 있도록 하는 것이다. 이러한 경험을 만들어내기 위해서 개발자들은 CPU의 프로세싱 능력의 대부분을 사용자의 경험과 관련될 수 있는 요소들을 만들어내는데에 사용한다. 이 개념을 확장하여, CPU에 걸리는 그래픽 어플리케이션의 부하를 덜어줄 수 있다면 CPU의 프로세싱 능력의 보다 많은 부분이 이러한 요소들을 만들어내는데에 사용될 수 있다. 오늘날의 현대적 GPU(GeForce2나 GeForce3 등)들로 인해서 CPU가 가지고 있던 ‘그래픽과 관련한 문제’들이 줄어들었으며, 더욱 생동감있는 경험을 만들어 낼 수 있도록 CPU를 자유롭게 해 준다.

장면의 관리

그래픽 작업이 생동감있게 렌더링되기 위해서는 3D 세계와 이 세계 안의 각각의 오브젝트들을 구성하는 정보의 데이터베이스가 만들어져야 한다. 통상적으로 이러한 데이터베이스는 대단히 거대하며, 때로는 수백 MB, 또는 수 GB에 이르기도 한다. 이들 모든 데이터를 렌더링하고 또한 표시하기 위해서는 실용적인 정도가 아니라, 대단히 높은 수준의 멀티프로세싱 그래픽 수퍼컴퓨터가 필요하다. 따라서 이러한 작업들은 단순화되어야만 한다. 그래픽 어플리케이션은 그 세계, 혹은 데이터베이스에서 연산되고 렌더링되어야 할 부분이 어디인가를 주어진 시간 안에 계산해내야만 한다. 이러한, 데이터베이스상에서 필요한 부분이 특정 시간 안에 연산되는 과정을 일반적으로 장면 관리라고 부른다. 여러가지 기법들이 많이 사용되지만, 이들은 모두 연산에 필요한 가격적 문제와 메모리의 요구량, 표현의 정밀도 등과 적절히 타협하기 위한 것이다. 프레임이 존재할 수 있도록 렌더링시키데에는 장면을 표현하기 위해서 사용되는 데이터의 양을 최소화하는 알고리즘이 필요하다. 그러나 그렇다고 해도 이것은 대단히 강력한 연산기능을 요구하기 때문에 실용적으로 사용되기에는 무리가 있다. 따라서, 대부분의 그래픽 프로세서는 화면에 처리결과가 보여지기까지 연산을 여러번 수행한 후에야 표현하게 된다. 화면 관리 과정의 효율성을 증가시키는 작업은 몇몇 그래픽 프로세서의 성능을 향상시키지만, 때로 CPU에 이러한 기능들로 인한 과중한 부하를 걸게 되어서 결국은 게임 로직에 필요한 프로세싱 능력을 까먹을 수도 있다.

지오메트리 연산

어플리케이션의 연산결과, 처리(렌더링) 되어야 할 부분이 정해지면 이것은 그래픽 어플리케이션의 지오메트리 파이프라인으로 전해진다. 지금까지는 그래픽 어플리케이션에서의 지오메트리 연산은 CPU에서도 상당부분 수행된다. 이러한 연산은 일반적으로 지오메트리의 변형과 여기에 광원효과를 가하는 것을 포함하고 있다. 최근에는 이들 연산이 CPU에서 현대적인 그래픽 프로세서로 이행되고 있는데, 이는 NVIDIA의 GeForce256으로부터 시작되었으며, 지금의 NVIDIA 그래픽 칩셋들에 이어져 내려오고 있다. 지오메트리 연산이라는 짐을 메인 프로세서에서 덜어줌으로써, CPU의 연산능력은 게임 로직을 위해서 보다 많이 사용될 수 있다. 동시에, 현대적인 GPU, 예를 들어서 NVIDIA GeForce 제품군은 고성능 CPU 들보다도 수 배 빠른 속도로 지오메트리 데이터를 처리할 수 있다. 보다 많은 지오메트리 데이터를 처리함으로써, 3D 장면의 화질은 비약적으로 향상된다.