[강좌] 2. 광속 메모리 아키텍쳐

(2) 지오메트리 대역폭의 문제와 고차수 표면 기법

지오메트리 대역폭의 문제

자연스러운 환경을 만들어내기 위한 풍부하고 많은 디테일을 가지는 장면을 표현해내기 위해서 컨텐츠 개발자들은 그들이 만들어내는 장면 안에서의 지오메트리의 양을 엄청나게 늘려왔다. GeForce256 GPU의 도입 이후, 이러한 기능으로 인해 CPU에 가해지던 많은 부분의 연산이 GPU로 이전되었다. 이러한 처리부하의 GPU로의 이동은 컨텐츠 개발자들이 프레임 안에서 수백에서 수십만의 폴리곤을 사용할 수 있는 자유로움을 부여하였다. 이러한 화려한 장면들은 시각적인 품질의 정도에 따라서 대역폭에 상당히 민감해졌다. 일반적으로 하나의 장면에는 개당 3개의 버텍스를 가지는 폴리곤이 10만개 정도 사용되어서 프레임당 30만개의 폴리곤이 사용되고 있다. 각각의 버텍스는 통상적으로 색상이나 위치, 광원, 텍스쳐, 쉐이딩 정보 등을 합쳐서 약 50바이트나 그 이상의 정보를 가진다. 따라서, 각각의 프레임은 15MB에 달하는 지오메트리 정보를 포함하고 있다는 이야기가 된다. 각각의 개별적인 프레임으로 보았을 때는 이것이 기본적인 PC 시스템의 버스에 무리를 줄 정도는 아니지만, 이러한 지오메트리를 초당 60프레임 이상으로 동작시키기 위한 요구량은 생동감있는 화면의 구현의 장애요인이다. 이 때에 요구되는 데이터 대역폭은 900MB/s에 달하며, 이는 PC의 거의 모든 부분에서 성능의 한계를 불러올 것이다.

이러한 작업량으로 인해서 오늘날의 PC 아키텍쳐가 직면하고 있는 한가지 과제는 PC의 CPU와 그래픽카드의 GPU간의 커뮤니케이션이다. 이 두 시스템간의 연결은 일반적으로 인텔의 AGP(Accelerated Graphics Port)를 통해서 이루어진다. PCI(Peripheral Component Interconnect)가 그 다음으로 널리 사용된다. 현재 가장 진보되어 있는 AGP의 방식은 AGP 4X이다. AGP 규격은 시스템과 그래픽 프로세서간의 포인트 투 포인트(Point to Point ; P2P) 방식 연결로 불린다. 즉, 이 인터페이스는 다른 기기와 공유되지 않는 것이다. 독자적인 인터페이스의 채용은 분명히 두 시스템간의 대역폭 문제를 다루는 데에는 도움이 되겠지만, AGP 4X라 해도 이것이 제공하는 1.06GB/s의 대역폭은 방대한 지오메트리를 사용하는 장면에 있어서는 아직도 부족하다.

NVIDIA는 지오메트리의 대역폭 문제를 해결하기 위한 몇가지 독자적인 방법을 개발해냈다. 그 첫번째는 고차수 표면(High Order Surfaces) 기법이다.

고차수 표면 기법

전통적으로 실시간 3D 그래픽의 기본적인 구성요소는 삼각형(triangle)으로 이루어졌다. 디자이너들은 각각 3개의 버텍스(=꼭지점)를 가지는 삼각형의 집합을 사용하여 3D 오브젝트를 표현한다. 이러한 접근에 있어서의 과제는 풍부한 디테일, 혹은 부드러운 곡면을 가지는 오브젝트를 어떻게 표현하는가이다. 디자이너들은 높은 수준의 디테일을 구현하거나 곡면의 가장자리가 부드럽게 보이도록 하기 위해서 이전보다 훨씬 많은 수의 삼각형들을 사용할수밖에 없다.

고차수 표면 기법의 사용으로 개발자들은 제어점에 의해서 정의되는 곡면을 오브젝트에 적용할 수 있게 되었다. 제어점의 집합으로 정의되어 있는 곡선이나 곡면을 스플라인(spline)이라고 부르는데, 여기서 중요한 것은 스플라인과 소수의 제어점만을 사용함으로써 복잡하고 부드러운 곡선을 가지는 표면을 표현할 수 있다는 것이다. 스플라인을 서로 연결함으로써 디자이너는 단지 삼각형만을 사용해서는 표현하기 어려운 복잡한 곡면을 창조할 수 있다.

GeForce3는 이러한 곡면의 생성기능을 하드웨어적으로 지원함으로써, 삼각형 수의 증가 없이도 이전보다 훨씬 효율적으로 복잡한 지오메트리를 기술해낸다. 제어가 가능한 버텍스를 가지는 표면을 기술해냄으로써, 수천, 수백만의 복잡한 수치 대신에, 이 표면은 효율적으로 수식화되어서 표현된다. GeForce3 그래픽 프로세서는 이러한 고차수의 표면을 실시간으로, 하드웨어적으로 처리하는 능력을 갖추고 있다. 기본적으로는, 지오메트리를 대단히 적은 정보만으로 효율적으로 기술하는 이러한 수식을 AGP 버스를 통해서 받아들이고 그래픽 프로세서는 이 수식을 바탕으로 지오메트리를 ‘만들어내는’ 것이다.

고차수 표면 기법이 가져오는 이득은 명확하다. 부드러운 곡선을 필요로 하는(사원의 지붕을 떠받치는 기둥들같은) 경우처럼 높은 수준의 화면을 연출하고자 할 때 그래픽 버스를 훨씬 효율적으로 사용하게 되는 것이다. 단지 16개의 제어점을 처리하는 것만으로도 GeForce3 그래픽 프로세서는 수십만개의 폴리곤으로 표현해야만 하는 지오메트리 데이터를 표현해낼 수 있으며, 이는 각 삼각형들의 모든 지오메트리 데이터를 버스로 직접 전송하는 것에 비해서 수백, 수천배의 효율을 제공해준다.