4세대 그래픽 프로세서
1999년 하반기에서 부터 출시되어 2000년대를 이끌 제품들로 올해 상반기까지 출시될 제품에 해당한다. 이들 제품은 이전까지 제품과 차원이 다른 기능과 성능을 갖추고 있다. 기본적으로 1600x1200 해상도에서 초당 30프레임 이상을 처리할 수 있으며 21인치 이상의 모니터에서 3차원 그래픽을 실시간으로 처리할 수 있다. 이와 같은 고해상의 지원을 위해서 32~128MB의 그래픽 메모리를 내장하고 있으며 DDR(Double Data Rate) SDRAM과 같이 기존의 그래픽 메모리에 비하여 두배의 성능을 갖는 새로운 메모리를 사용하고 있다.
3차원 그래픽 보드의 성능은 폴리곤 처리 성능과 렌더링 성능으로 구분할 수 있다. 현재 컴퓨터 게임은 프레임당 5000~10000개의 폴리곤을 사용하여 구현된다. 이들 게임을 초당 60 프레임 이상 처리하기 위해서는 초당 백만개의 폴리곤을 처리할 수 있으면 된다. 하지만 앞으로 출시되는 게임들은 10000~30000개의 폴리곤을 사용한다. 이처럼 많은 폴리곤을 사용하게 되면 보다 정밀하고 실제와 같은 그래픽을 구현할 수 있게 된다. 실제로 아래의 두가지를 비교해 보면 왼쪽은 각진 로버트 인형 처럼 생겼지만 오른쪽은 4배의 폴리곤을 사용하여 그래도 이제는 인간처럼 보인다.

[그림] 퀘이크3

	이전의 그래픽 보드에서는 폴리곤의 기본 연산을 CPU를 이용하였으며 따라서 CPU 성능이 높을 수록 그래픽 성능이 높아지는 현상이 발생하였고 더불어 높은 CPU 의존율을 갖게 된다. 이를 극복하기 위해서 그래픽 보드에 T&L(Transform and Lighting) 기능이 내장되었으며 이것은 CPU로 처리하던 폴리곤 연산을 그래픽 보드가 직접 처리하여 보다 높은 폴리곤 성능을 구현할 수 있게 해준다. 최근에는 TLC(T&L and Clipping) 기능으로 CPU의 의존도를 더욱 낮추고 있다. CPU의 의존도가 낮아지면 CPU는 보다 복잡한 인공지능 처리나 고급 그래픽을 위한 보조 처리를 할 수 있게 되어 화질은 더욱 향상될 수 있다. TLC 기능은 이미 오래전부터 수백만원대의 그래픽 보드에 사용되던 기능이다. 실제로 개인용 컴퓨터에서 사용하는 3차원 그래픽 보드가 단순 게임 가속 보드로 평가 절하를 받던 주된 이유이다. 이제는 수십만원대의 그래픽 보드로 이전의 수백만원대의 그래픽 보드에서 구현하였던 성능을 구현할 수 있게 된것이다. 사실상 3세대 그래픽 보드에서 부터 3DStudioMAX, LightWave와 같은 고급 렌더링 프로그램의 지원이 이루어졌지만 실제 지원은 이제부터 이다. 보다 높은 렌더링 성능을 구현하기 위해서 그래픽 프로세서 내부에는 2개 이상의 렌더링 프로세서를 내장하거나 또는 3Dfx Enhanced SLI, ATI MAXX Technology, nVIDIA Virtual AGP 등과 같이 두개 이상의 그래픽 프로세서를 병렬로 동작 시키는 기술이 개발되어 적용되고 있다. 단순하게 동작 속도를 높이는 방법으로 렌더링 성능을 향상 시키는 것에는 한계가 있고 특히 TLC 기능으로 그래픽 프로세서의 복잡도가 증가되고 많은 개수의 트랜지스터를 사용하기 때문에 심한 발열과 동작 속도의 한계가 들어나기 때문이다. 사실 4세대 제품들은 14~27백만개의 트랜지스터를 0.20 미크론 공정으로 제작되고 있으며 200MHz 이상의 동작 속도는 거의 불가능에 가까웁고 현재 133~166MHz 정도의 속도 한계를 가지고 있기 때문이다. 따라서 여러개의 렌더링 유니트가 동시에 여러개의 픽셀을 처리하는 방법이 주된 성능 향상 방법으로 거의 모든 제품들이 1G 텍셀의 성능을 가지고 있다. 그럼 4세대 제품들로 이미 출시되었거나 출시될 제품들을 살펴 보도록 하자.
3Dfx VSA-100(Voodoo Scalable Archtecture) 3Dfx VSA 코어는 166MHz 동작 속도를 가지고 있으며 2개의 픽셀 처리 엔진과 2개의 텍스쳐 엔진으로 구성되어 있다. 따라서 332M 픽셀/초 도는 332M 텍셀/초의 성능을 갖는다. VSA 코어는 Enhanced SLI(ScanLine Interleave) 기술을 사용하여 최대 16개의 그래픽 코어를 병렬로 처리할 수 있다. 실제로 3Dfx사에서는 VSA-100 코어 1개, 2개 또는 4개를 채용한 그래픽 보드를 2000년 2사분기에 출시할 예정이다. 4개의 그래픽 코어를 내장한 경우에 초당 664M 픽셀/초 또는 1.3G 텍셀/초의 성능을 갖게 된다. 특히, T-Buffer라는 다중 프레임 버퍼 기술을 이용하여 Motion Blur, Focal Effect, Full Scene Anti-Aliasing, Mirror Effect, Volumetic Shadow 등의 다양한 디지털 이펙터를 지원하여 보아 부드럽고 안정된 애니매이션 화질을 구현할 수 있다.

[그림] T-Buffer를 이용한 Focal Effect

	[사람의 눈은 일정한 위치에 초점이 맞춰지면 가까웁거나 먼곳의 물체는 희미하게 보인다. 3차원 그래픽 보드에서 이러한 효과를 구현하기 위해서 안개 효과를 주로 이용하며, 시점을 가장 가까웁게 잡고 있다. 하지만 Focal Effect는 이러한 자연적인 효과를 그대로 구현하게 된다.]  일반 TV나 영화는 초당 30프레임으로 출력이 되지만 화면의 끊김이 없이 매우 부드럽다. 하지만 컴퓨터 게임에서는 초당 60프레임 정도가 되어도 화면의 끊김은 여전히 발생한다. 이것은 화면 한장 한장의 구성 방법에 차이가 있다. TV에서는 빠르게 움직이는 물체는 늘어지거나 희미하게 보인다. 이러한 효과가 프레임과 프레임을 부드럽게 연결시켜 주기 때문에 영상이 부드
럽게 이어질 수 있다. 반면에 컴퓨터에서는 한장 한장이 또렸하게 정지 화상으로 구분이 되기 때문에 빠르게 움직이는 화면은 뚝뚝 끊어져 보이게 된다. 이처럼 움직이는 물체를 움직이는 방향으로 부드럽게 뭉게주는 처리 방식이 Motion Blur이다.  Motion Blur가 처리된 30 프레임의 화상을 얻기 위해서는 기본 처리에서 60~90프레임의 성능을 가지고 있어야 구현이 가능하다. 더불어 기존에 2개에서 3개의 프레임 버퍼 이외에 이전의 프레임을 저장하는 추가적인 2개 이상의 버퍼가 필요하기 때문에 그래픽 메모리의 요구량도 기존에 비하여 2배 이상으로 필요하게 된다. 실제로 3Dfx VSA-100 제품군에서는 두배의 메모리 버퍼를 필요로 하고 4배 이상의 프레임 버퍼가 있어야 지원이 이루어지게 된다.

[그림]  Motion Blur

	ATI Rage6 아직은 초기 사양만 발표가 되었으며 정확한 기능이나 성능은 정확하게 설명하기 힘들다. 이 제품은 2000년 하반기에 출시될 제품으로 256비트 버스 체계를 갖춘 제품이다. 기존의 TLC 엔진에 비하여 보다 향상된 기능으로 다중 폴리곤 블렌딩, 몰핑을 지원하고 있다. 기존에 3차원 그래픽 게임을 보면 사람의 팔이나 머리가 떨어지거나 몸통으로 기어 들어가는 것을 쉽게 관찰할 수 있다.  사람의 피부는 늘어나거나 줄어들기 때문에 실제와 같이 표현하기 위해서는 폴리곤이 늘어나거나 줄어 들어야 한다. 이것을 처리하기 위해서는 폴리곤의 동적 배치가 이루어지거나 동작 마다 일일이 전체 물체의 폴리곤을 다시 정의해야 한다. 이를 소프트웨어적으로 실
시간 처리는 어려우며 미리 그래픽 정보를 만들어 두었다가 각 프레임 별로 새로운 물체의 정보를 전송해야 하며 이 경우에 막대한 양의 데이터 전송에 따른 시스템의 전체 성능 저하가 발생하게 된다. 이에 대한 지원으로 길이가 변할수 있는 폴리곤과 연결점을 지정하면 폴리곤을 변형시킬 때 그래픽 프로세서가 알아서 지정된 폴리곤을 늘렸다 줄였다 하게 된다. 따라서 보다 자연스러운 그래픽 표현이 가능하게 된다. 폴리곤 블렌딩을 맨처음 지원한 nVIDIA GeForce256 제품은 한 개의 폴리곤만을 조절하지만 ATI Rage6에서는 3개의 폴리곤을 이용하기 때문에 연결 부위가 더욱 부드럽게 구현될 수 있다. 물론, 내부의 연산량은 4배 정도로 증가된다.

[그림] 폴리곤 블렌딩

폴리곤 블렌딩에 대한 보다 진보된 개념으로 두개의 매쉬를 지정하면 한쪽에서 다른 한쪽으로 부드럽게 폴리곤을 변화 시켜주는 폴리곤 몰핑 기술이 지원되고 있다. 이 기술은 응용 방법에 따라서 보다 환상적인 그래픽 처리가 가능하지만 현실적으로 실제 게임에서 적용되기는 힘든 기술이다. 그래픽 가속기능 없이 구현하기 위해서는 너무나 많은 그래픽 데이터 처리가 필요하기 때문에 범용적이지 못한 단점을 갖기 때문이다.

[그림] 폴리곤 몰핑

2개의 픽셀 엔진과 각각의 픽셀 엔진에는 3개의 텍스쳐 엔진이 지원된다. 따라서 클럭당 2개의 픽셀 또는 6개의 텍셀을 처리할 수 있다. 기본 동작 속도가 200MHz로 400M 픽셀/초 또는 1.2G 텍셀/초의 성능을 갖는 샘이다. 또한 ATI MAXX Technolgy를 지원하기 때문에 두개의 그래픽 프로세서를 병렬로 동작 시킬 수 있다. 이 경우에 초당 800M 픽셀/초 또는 2.4G 텍셀/초의 동작 성능을 가지며 최고의 그래픽 보드의 위치를 넘볼 수 있는 성능이다.