[강좌] GeForce3의 신기술 - 1. NVIDIA nfiniteFX 엔진

1) 프로그래밍이 가능한 버텍스 쉐이더 (1)

프로그래밍이 가능한 버텍스 쉐이더 - 차세대의 지오메트리 연산기법

그래픽 프로세싱 기술의 발전은 사용자들에게 더욱 현실적이고 섬세한 3D 그래픽을 실시간으로 제공하기 위해서 계속 진보하고 있다. 그리고 그 연장선상에서 NVIDIA의 nfiniteFX 엔진의 등장과 함께 프로그래머블 픽셀 쉐이더와 버텍스 쉐이더가 같이 선보였다. 프로그래밍이 가능한 버텍스 쉐이더는 사실상 무한한 실시간 시각효과의 팔레트를 사용할 수 있는, 그래픽 프로세서 유닛(GPU)이 가지는 새로운 기능의 대표적인 사례이다. 일반 소비자 시장에서의 프로그래머블 버텍스 쉐이더의 등장은 완전히 새로운 PC 그래픽이 시작되었다는 것을 의미한다.

버텍스 쉐이더는 무엇인가?

그림 1. 버텍스가 가지는 데이터

그래픽 연산기능으로서의 버텍스 쉐이더는 3D 그래픽을 사용한 장면에서 각 오브젝트에 특수효과를 더해주는 역할을 한다. ‘프로그래밍이 가능한’ 버텍스 쉐이더는 개발자들이 새로운 소프트웨어 명령어셋을 버텍스 쉐이더 메모리 안으로 로딩하는 것만으로도 특수효과를 조절할 수 있도록 해 준다. 각각의 버텍스는 여러 가지의 데이터로 정의된다. 각각의 버텍스는 최소한 위치를 규정하는 x, y, z 좌표와 연결되어 있다. 버텍스는 또한 색상이나 알파채널, 텍스쳐, 반사광 같은 광원효과 등에 대한 정보도 포함한다.  그림 1은 버텍스와 이에 연관되어 있는 데이터들이 어떠한 종류가 있는지를 보여준다.

버텍스 쉐이더의 구조에 대한 개괄적 설명
실제로 사용된 버텍스 쉐이더는 하나이지만 만들어낸 효과는 두가지이다.

버텍스 쉐이더는 마술상자라고 생각해볼 수 있다. 버텍스 데이터가 상자 안에 들어갔다가 나올 때는 다른 버텍스 데이터로 바뀌어 있는 것이다. 상자 안에 들어가는 모든 버텍스의 데이터는 다시 상자에서 나오게 되지만, 버텍스 쉐이더 박스 안에 들어있는 동안에 변형된 후 나온다. 버텍스 쉐이더는 버텍스를 만들어내거나 없애거나 하지는 못하며, 단지 각각의 버텍스를 정의하는 데이터를 변경시는 작업만을 할 뿐이다. 변형이 가해진 각각의 버텍스는 변형 전에 비해서 공간상의 위치가 달라지고, 색상이 변하며, 투명도가 변한다. 혹은 달라진 텍스쳐 좌표를 가질수도 있다. 이러한 버텍스의 변형은 한번에 하나의 버텍스에 대해서 행해지며, 이러한 것들이 모여서 전체적인 특수효과를 구성한다.

특정한 버텍스는 버텍스 쉐이더를 거친 후에도 변형되지 않을수도 있다. 버텍스 쉐이더는 특정한 속성을 가지는 버텍스만을 변형시키도록 프로그래밍되거나 모든 버텍스를 같은 방법으로 변형시키도록 프로그래밍되기도 한다. 프로그래머는 버텍스 쉐이더를 하나의 특수효과를 만들기 위해서 하나의 오브젝트에 특정한 방법으로 사용한 후에 또다른 오브젝트에 완전히 다른 효과를 적용하기 위해서 새로이 버텍스 쉐이더를 프로그래밍할 수 있는 유연성을 가진다. 이러한 프로그래밍의 유연성에 대해서는 뒤에서 좀 더 자세히 이야기해 볼 것이다. 

그러면, 버텍스 쉐이더는 왜 지금까지는 사용되지 않았는가?

현재에 이르기까지, 버텍스 쉐이더는 GPU 안에 포함되기에는 너무나 복잡했다. 하지만, NVIDIA의 nfiniteFX 엔진의 도입으로 인해서 프로그래머블 버텍스 쉐이더를 최초로 GPU안에 집적시키는 것이 가능해진 것이다. 버텍스 쉐이더는 프로그래머블 픽셀 쉐이더와 같이 사용될 때에 가장 강력한 능력을 가진다. (3D 그래픽 파이프라인에 대한 보다 자세한 내용은 이번 강좌의 가장 마지막 페이지에서 설명할 것이다) 버텍스 쉐이더는 픽셀 쉐이더와 함께소프트웨어 개발자들에게 전체 그래픽 파이프라인 안에서 이전과는 완전히 틀린 새로운 수준의 제어능력과 유연성을 제공한다.

GPU내에는 하드웨어 T&L 엔진과 프로그래머블 버텍스 쉐이더가 공존한다.

수학적으로, 버텍스 쉐이더는 이전 세대의 GPU에 포함되어 있는 하드웨어적 변형/광원효과 엔진의 개념이 확장됨으로써 만들어진 결과물이다. 버텍스 쉐이더의 결과물은 완전히 변형되고 광원효과가 적용되어 있게 된다. 만약, 특정한 GPU가 하드웨어 T&L 엔진을 내장하고 있으며, 여기에 더해서 프로그래밍이 가능한 버텍스 쉐이더를 가지고 있다면 버텍스 쉐이더가 사용되는 동안 하드웨어 T&L 엔진은 일거리가 없어진다. 이것은 낭비처럼 보이지만, 새로운 하드웨어 상에서 기존의 어플리케이션들과의 보다 높은 호환성을 보장해 주는 장치가 된다. 버텍스 쉐이더와 함께 하드웨어 T&L 엔진이 적용되어 있지 않은 GPU의 경우 호환성의 문제를 일으킬 수 있다. 그림 3은 버텍스 쉐이더와 기존의 하드웨어 T&L 엔진의 병렬 공존관계를 보여준다.

버텍스 쉐이더가 일반 사용자용 양산형 제품과 전문적인 용도의 GPU에 모두 적용됨으로써, 사용자들은 처음으로 이러한 기능을 사용할 수 있게 되었다. 버텍스 쉐이더의 동작은 대단히 복잡한 계산과정이며, 이것은 일반적인 마이크로프로세서로는 이를 처리하기 어렵기 때문에 특별한 하드웨어적 구조를 필요로 한다. 만약 이러한 계산을 일반적인 CPU에서 처리하고자 한다면, 성능은 GPU와 프로그래머블 버텍스 쉐이더를 함께 사용할 때에 비해서 수 배나 저하될 것이 분명하다. 이러한 성능상의 차이로 인해서 CPU는 버텍스 쉐이더가 수행하는 일을 할 필요가 없으며, 그 성능의 여유분을 동영상 등의 특수효과같은 오프라인 렌더링 어플리케이션에 할당할 수 있다. 자연스럽고 생동감있는 화면을 만드는 높은 프레임 레이트를 원하는 사용자들을 위해서 버텍스 쉐이딩 기능은 그러한 능력을 가지는 GPU를 요하게 된다.