고성능 그래픽 프로세서의 실 성능은 과연?

고성능 그래픽 프로세서

최근에 출시되기 시작한 4세대 그래픽 프로세서들은 TLC(Transform, Lighting and Clipping) Engine을 내장하여 초당 20~30M Polygon을 처리할 수 있다. 이때, Strip Polygon을 기준으로 하기 때문에 Vertex 단위 처리가 적합한 표현이며, Individual Polygon을 기준으로 한다면 처리할 수 있는 폴리곤 개수는 1/3 수준으로 줄게 된다. Strip Polygon은 인접한 새로운 Vertex를 지정하여 삼각형을 표현하기 때문에 실제 사용되는 Vertex의 개수는 삼각형의 개수보다 2개가 많다.

예) Vertex = Strip_Triangle + 2

또한, 다중 픽셀 파이프라인에 다중 텍스쳐 엔진을 내장하여 듀얼 텍스쳐 맵핑 게임의 경우는 단일 클럭에 처리가 가능하며, 클럭당 2개 또는 4개의 픽셀을 처리하는 수준까지 올라와 있다. 실제로 GeForce256은 4개의 픽셀/텍셀 엔진을 내장하여 초당 480M 픽셀 또는 텍셀을 처리할 수 있으며, GeForce2는 4개의 픽셀 엔진과 8개의 텍셀 엔진으로 800M 픽셀 또는 1600 텍셀이라는 경의로운 성능을 가지고 있다.
 

4세대 제품군의 기본 성능 비교

	Core			Memory		Polygon	Fillrate
	Clock	Pixel Unit	Texel Unit	Clock	Type	Strip	Single	Dual	Triple
nVIDIA GeForce256	120MHz	4	4	300MHz	128bit	14M	480	240	120
nVIDIA GeForce2	200MHz	4	8	333MHz	128bit	25M	800	800	400
3Dfx Voodoo5	166MHz	2x2	2x2	166MHz	128x2bit	10M+	664	332	166
ATI Radeon256	200MHz	2	6	400MHz	128bit	30M	400	400	400
VideoLogic/NEC Kyro	125MHz	2	*	125MHz	128bit	10M+	250	250	250

메모리 대역

그래픽 프로세서의 렌더링 파이프라인은 64비트 단위로 구성된다. 이것은 32비트 컬러와 24비트 Z 버퍼 그리고 8비트의 스텐실 버퍼 정보를 한번에 전달할 수 있어야 하기 때문이다. 만약, 64비트 이하로 구성되면 각각의 데이터를 전달하기 위해서 두번의 클럭이 필요하고 결과적으로 클럭당 픽셀 렌더링이 불가능하게 된다. 실제로 4개의 그래픽 렌더링 파이프라인을 갖추고 있는 nVIDIA GeForce256 또는 GeForce2 GTS가 64x4=256비트 내부 버스로 구성된다. 이외에 중요하게 대두되고 있는 것이 텍스쳐 파이프라인이다. 각각의 텍스쳐 엔진은 32비트 버스 폭을 가져야 한다. 이것은 클럭당 한개의 텍스쳐 샘플을 처리할 수 있어야 하며, 메모리 인터페이스와의 성능도 어느정도 균형을 지녀야 한다.

예를 들어 GeForce256은 32비트 4개의 텍스쳐 엔진으로 32x4=128비트 메모리 인터페이스 대역을 사용한다. 반면에 GeForce2 GTS는 32비트 8개의 텍스쳐 엔진으로 32x4=256비트 대역이 필요하다. 따라서 텍스쳐 업로딩 속도는 코어 동작 속도의 두배에 해당하는 메모리 성능이 필요하지만 현재의 제품들은 333MHz로 400MHz(200MHz x 2)에 약간 못미치고 있다. 따라서 텍스쳐 병목은 기본적으로 발생할 수 밖에 없다. 이 문제를 해결하기 위해서 텍스쳐 캐쉬를 그래픽 코어에 탑제하여 필요한 텍스쳐 샘플의 필요한 대역을 낮추고 있지만 텍스쳐의 크기가 커지고 높은 컬러를 사용하거나 또는 텍스쳐의 종류가 다양해지게 되면 이 또한 뚜렸한 해결책이 되지 못한다. 실제로 일반 게임에서 8비트 텍스쳐를 사용하는 경우와 16비트 또는 32비트 텍스쳐를 사용하는 경우에 뚜렸한 성능 편차가 발생하는 주된 이유이다. 물론, nVIDIA사도 이점을 명확히 알고 있고 향후 5ns DDR SDRAM을 채용하여 메모리 대역을 높일 계획이기 때문에 조금은 해소될 수 있는 가능성은 높다. 반면에 3Dfx Voodoo5, ATI Radeon256 등은 메모리 대역이 충분하기 때문에 큰 문제를 일으킬 수준은 아니다.

CPU 의존성

간혹, 통신이나 하고 컴퓨터 게임이나 즐길 수 있는 저사양의 컴퓨터를 추천해달라고 하는 이가 있으며, 무척 안타까움을 느끼게 된다. 왜냐하면 컴퓨터 게임은 사운드, 그래픽, 인공지능 등의 최고의 테크닉이 동원된 프로그램이다. 또한, 시스템 사용율도 다른 워드 프로세서, 통신 등과 비할바 없이 높다. 따라서 최고의 컴퓨터 성능을 필요로 하는 부분이기 때문이다.

최근 컴퓨터 게임의 그래픽은 3차원 그래픽 가속기로 말미암아 급격히 향상되어지고 있다.  심지어 최근에 출시된 nVIDIA GeForce2는 초당 800M 픽셀 또는 1600M 텍셀의 처리성능과 최대 25M 폴리곤을 렌더링 할 수 있다. 기존의 nVIDIA GeForce256에 비하여 4배 수준의 성능을 가지고 있따. 하지만, 실제 게임에서는 성능이 눈에 띄게 나타나지 않는다.
 

WinFast GeForce2 GTS		640x480	800x600	1024x768	1280x1024
Expendable	TIMEDEMO	58.3	57.8	57.5	54.1
Quake II	DEMO1.DM2	138.4	133.8	99.0	72.2
Quake III	DEMO001.DM3	80.2	77.2	65.8	39.6
	NV15DEMO	17.5	17.4	17.3	16.0
MDK2	Software T&L	68.9	69.2	67.1	46.7
	Hardware T&L	79.0	78.7	73.0	45.0

WinFast GeForce256 DDR		640x480	800x600	1024x768	1280x1024
Expendable	TIMEDEMO	59.2	58.5	57.6	50.0
Quake II	DEMO1.DM2	105.5	93.6	71.5	44.9
Quake III	DEMO001.DM3	79.4	74.9	59.2	33.2
	NV15DEMO	17.5	17.3	17.2	15.2
MDK2	Software T&L	68.5	68.3	62.8	38.0
	Hardware T&L	78.5	77.4	64.5	37.5

1280x1024 이상의 해상도에서는 어느 정도 성능의 편차가 발생하지만 이것도 몇십%에 불과하다. 또한, 대부분의 최신 게임에서는 1024x768 이하의 해상도에서는 성능의 차이가 발생하지 않으며, 단지, 퀘이크2에서는 상당한 성능의 편차가 발생하고 있음을 알 수 있다. 이러한 현상의 원인을 찾아보자.

사실 가장 단순한 이유에서 부터 시작한다. 컴퓨터 게임은 그래픽, 사운드, 인공지능 부분으로 크게 나눌 수 있으며, 이중에 그래픽은 그래픽 보드가 처리할 수 있는 기본 렌더링과 CPU/FPU를 이용하여 처리해야 하는 입체의 이동/배치 및 애니매이션 그리고 텍스쳐/입체 데이터 변환 처리로 구분이 된다. 따라서 전체 컴퓨터 성능을 100%로 환산하였을때 과연 그래픽 보드가 순수하게 차지하는 성능 비율이 얼마가 될수 있는가가 실제 성능에 영향을 주는 주된 요소가 된다.

퀘이크2 게임만 해도 그래픽 보드의 의존율은 55% 수준에 해당하지만, 이후에 출시된 퀘이크3에서는 40% 수준으로 낮아졌고, MDK2의 경우는 20~30% 수준의 그래픽 의존율을 보이고 있다. Direct3D 기반의 게임에 있어서도 Expendable과 같은 게임도 MDK2와 비슷한 수준으로 알려져 있다.

이처럼 낮은 그래픽 의존율을 갖는 경우에 실제로 게임 성능 향상율도 지극히 낮아지게 된다. 예를 들어 퀘이크2 게임의 경우에 그래픽 보드의 성능이 두배로 향상이 되면, 27% 정도로 게임 성능이 향상되지만, 퀘이크3에서는 20% 그리고 MDK2에서는 10~15% 수준이 된다.

실제로 GeForce256에 비하여 멀티 텍스쳐 맵핑 게임에서 4배의 성능이 향상된 GeForce2를 이용하여 게임의 성능을 측정해보면 퀘이크2에서는 성능 향상이 눈에 띄게 나타나고 퀘이크3도 표준 데모 수준에서는 성능이 많이 향상되지만 MDK2나 Expandable과 같은 게임에서는 거의 성능 향상이 보이지 않는 것도 여기서 비롯된다.

[그림] 1024x768 32비트 컬러 모드에서의 그래픽 의존도 [펜티엄III 500MHz 기준]

* T&L 모드를 사용하는 경우에 상대적으로 그래픽 보드의 의존도가 높아지며, 퀘이크2의 경우는 MDK2에 비  해서 상당히 높은 의존도를 가지고 있다.

최근 각종 벤치마크에서 보면 1024x768 이하의 해상도에서는 성능의 편차가 거의 없다가 이후 부터 조금씩 심해지는 것을 알 수 있다. 왜? 일까? 당연한 일이다. 고해상도로 갈수록 상대적으로 그래픽 처리량이 증가되며, 기존의 CPU 의존율은 그대로 이지만 그래픽 의존율이 상대적으로 증가되기 때문이다. 따라서 그래픽 보드의 성능에 대한 의존율이 높아지는 것이다.

[그림] MDK2 게임의 해상도별 그래픽 의존율 [펜티엄III 500MHz 기준]

고해상도로 갈수록 성능 편차가 커지는 것은 당연하다. 상대적으로 그래픽 의존율이 높아지게 되고 결과적으로 그래픽 성능에 의한 게임 성능의 편차도 커지기 때문이다. 그래픽 보드이 성능이 고해상도에 최적화 되어 있는 것이 아니고 단지, 그래픽 의존도가 높기 때문에 상대적으로 눈에 띄게 나타날 뿐이다.