Microsoft X-Box vs. Sony PlayStation 2

■ 시작에 앞서...

본 기사는 일본의 Impress Watch의 PC 섹션(http://www.impress.co.jp/pc)에 게재되었던,  後藤弘茂씨의 X-Box 특집기사를 편역한 것입니다. 본문의 출처는 이하와 같습니다. 다만, 이미지의 경우 동 사이트에서 별도로 인용한 것임을 밝힙니다. 타출처인 경우에는 이미지에 별도로 표기했습니다.

■ X-Box와 PS2 : 그래픽 가속코어의 비교

■ X-Chip : 16개의 병렬 파이프라인, 집적트랜지스터 개수는 6500만개
X-Box에 탑재되는 엔비디어(nVidia)의 그래픽 가속기인 X-Chip은 엔비디어의 지포스(GeForce) 1의 300%에 달하는 방대한 숫자의 트랜지스터가 집적되어 있는 만큼, GPU 엔진의 대대적인 개수가 이루어진 것으로 보인다. 최근 마이크로소프트가 개최한, X-Box Partner Meeting에서 발표된 X-Chip의 사양은 대략 이하와 같다.

[ 표. X-Chip의 사양 ]
 

사실 한눈에 보자면 좀 의심스러울 정도의 고사양이다. 수치상으로 지포스 1에 대해 지오메트리에서 20배, 필레이트가 10배에 육박한다. PS2와 대비하더라도, 지오메트리는 4.5배, 필레이트는 2배에 달한다. 이것은, 일단 PS2를 월등히 상회하는 사양이기는 하지만, 출시시기가 PS2에 1년 6개월 뒤쳐지는 X-Box로서는(미국시장에서는 PS2가 올 하반기 발매이므로 1년차이가 난다), 성능면에서 PS2를 확고하게 압도하지 않는 한 성능상으로도 메리트가 없어지므로 당연한 귀결이라고 할 수 있다. 그러나, 하드웨어 성능적인 측면에서 게임기가 갖는 경쟁력의 비중은 낮다. 게다가, PS2는 전세계적으로 확고부동의 지지층을 확보하고 있으며, X-Box의 출하가 1년 6개월여 늦어지는 동안에 PS2가 압도적인 시장우위를 차지하게 될 것이 분명하다. 결국, 후발주자를 면키 어렵게 된 X-Box로서는 대부분의 후발 메이커들이 그러하듯 성능면에서 또는 단가면에서 따라잡는 수밖에 없는데, 마이크로소프트는 전자(와, 마이크로소프트의 주장에 따르면, 후자까지)를 선택한 것이다.

■ X-Chip의 그래픽코어

① 트랜지스터 집적개수 : 인텔 아이타늄(Itanium)의 2.6배에 달하는 방대한 숫자
일단, X-Chip의 집적된 트랜지스터 개수는 절대적인 숫자로 봐도 현시점에서 매우 높은 수준이다. 6500만개라는 트랜지스터 개수는 현행 지포스1(GeFORCE)의 2300만개와도 280%, 인텔의 최고사양 CPU인 이타늄의 2500만개와도 260%에 달하는 것이다. 더욱이, X-Chip은 통상의 CPU가 아니므로 대용량의 L1 및 L2 캐시를 탑재하지 않는 때문에, 거의 대부분의 트랜지스터가 그래픽 코어의 성능과 직결되는 것이 가능하다. 이와는 대조적으로, 소니의 PS2의 경우 EE가 1350만개, GS가 4300만개의 트랜지스터로 구성되어 있으나, GS에는 비디오메모리가 임베디드 DRAM의 형태로 내장되고, DRAM 셀 개수가 3355만개에 달하여, 결국 렌더링에만 관여하는 트랜지스터는 1000만개가 못 된다는 것을 알 수 있다. 이 숫자는 EE에 더해도 겨우 2300만개 정도로 불과해서, 일단 트랜지스터 숫자만으로는 X-Chip이 앞서고 있음은 분명하다. 그러면, 이제 남은 문제는 제조단가가 된다.

마이크로소프트는, 엔비디어와 이점에 대해서 상당한 수준의 협의를 진행해온 것으로 알려져 있다. 특히, 공정상의 (PS2와의) 차이는 주목할 만하다. PS2의 EE나 GS는 현재 0.25마이크론 공정에서 양산에 들어가면서 장기적으로 0.18, 0.15, 그리고 0.13마이크론급으로까지 공정이 개선될 예정으로 있다. X-Chip은, 후발주자인 만큼 초기 양산시점에서부터 0.15마이크론급의 미세공정에서 출발해서, 0.10마이크론 공정까지가 예정되어 있다. 이를 단순 계산으로 비교하면, 0.25마이크론과 0.15마이크론 공정에서 동일면적에 집적가능한 트랜지스터 개수는 3배 가까이 차이가 난다(실제로는, 제조업체별로 공정에 따라 집적되는 트랜지스터의 개수차이가 대단히 크기 때문에, 별 의미는 없다.) 지포스 1의 경우에도 0.20마이크론 공정으로, 역시 동일계산을 적용하면 X-Chip에 2배 이상의 트랜지스터를 집적하는 것이 가능하다는 계산을 얻는다. 하드웨어 스펙이 5년 단위로 변화하는 통상의 게임기 하드웨어 트렌드를 감안하면, 그정도 기간이라면 보통 2세대 정도의 공정개량이 진행되기 때문에, 결과적으로는 수치상으로도 단가상으로도 놀랍거나 우려할 만한 요소는 별로 없다는 것을 알 수 있다. 결국 지금 당장 양산이 개시된다면 경이적일 수도 있겠지만, 실제로는 지금으로부터 거의 1년 6개월여나 지나서야 출시된다는 점에만 유의하면 될 것 같다.

② 필레이트

X-Chip의 가속코어는, 잘 알려진 바와 같이 엔비디어제의 NV25이다. 엔비디어는 통상적으로 1년단위로 차세대 그래픽 가속코어를 발표하면서, 6개월단위로 해당 코어의 바리에이션을 내놓는 것이 패턴화되어 있다. 좀더 구체적으로는, 지포스 1의 차기 모델이 NV15인데, 이것이 NV10으로 알려진 지포스 1의 바리에이션 모델에 해당되고, 올해 말엽에 등장할 예정으로 있는 차세대 코어가 NV20, NV25는 6개월 정도 간격을 더 두고 발표되는 NV20의 확장 및 저가형 버전이 되는 셈이다. 따라서, 엄밀히 말하면 X-Chip은 NV20 기반이라고도 할 수 있다. 그러나 X-Chip은 그 베이스가 PC용의 그래픽 가속코어이긴 하지만, 게임기 지향으로 상당부분 개수되었다는 점에 주목해야 한다.

X-Chip의 필레이트는 4.8GPixel/sec이다. 이 사양은 쉽게 말해서 단일클럭당으로 16개의 픽셀을 처리하는 것이 가능하다는, 즉 4.8G ¡A 300M = 16개의 병렬화된 픽셀 파이프라이닝이 지원됨을 의미한다. 이것은 현행 지포스 1이 4 파이프라이닝, 120MHz에서 480MPixel/sec의 필레이트급인 것에 대해 확실히 진일보한 것이다.

하지만 아무래도 16개의 병렬 픽셀처리 파이프라이닝이 도입되어 있다는 것은 결국 PS2의 GS를 의식한 것으로 생각된다. 뭐 4의 제곱이 16이기 때문에 당연한 것이 아니냐고 할 수 있겠지만, 마이크로소프트는 실제로 X-Chip의 픽셀 파이프라인을 통해 텍스쳐 매핑이나 FSAA를 구동하더라도 필레이트가 별로 저하되지 않아서, 싱글패스로 최대 2개까지의 텍스쳐를 처리하는 것이 가능하다고 주장하고 있기 때문이다. 이것이 사실이라면, 필레이트가 텍스쳐 매핑을 하는 경우의 1.2GB/sec급인 PS2를 확실히 상회하는 것이다.

③ 지오메트리
그럼, X-Chip의 지오메트리 성능은 어떤가 하니, 300M폴리곤/sec급으로 발표되어 있다. 이것은, 다른 스펙과 끼워맞추면 사실상 1클럭 1폴리곤의 하드웨어 T&L(Texture & Light) 처리가 300M:300M으로 구현이 가능하다는 점에서 분명히 주목할 만한 성격의 것이다. 계산상으로 비교하면 PS2의 EE는 4.5클럭당 1폴리곤을, 지포스 1이 8클럭에서 1폴리곤을 처리하는 현수준에 비해 월등한 고성능이다. 이를 위해서 몇가지 아키텍쳐가 추가되어 있다.
 

마이크로소프트측이 발표한 자료에 따르면, 정점연산의 동시처리개수가 8개라는 경이적인 스펙이 명기되어 있다. 이것은, 현존하는 가속코어에서는 단일연산에서도 단일정점을 처리하는 것이 불가능하다는 점에서 놀라운 것이다. 사실상, 이것은 지오메트리엔진의 파이프라이닝 병렬화가 진행되어 있음을 시사하는 것이다. 물론, 지오메트리 엔진을 병렬화해서 그 파이프라인을 풀가동하는 것은 드라이버 코드작성 단계에서부터 기술적 난제로 부각될 공산이 크기는 하다.

게다가, 그 연산의 레이턴시(latency)도 짧다. PS2의 EE가 19사이클인 것에 비해, X-Chip은 10사이클에 불과하다. 물론 여기서의 차이는 EE가 범용성이 높은 FPU에 대한 의존도가 높은 반면, X-Chip은 아예 대응의 트랜지스터들을 배선(interconnect)을 통해 기계적으로 연결한다는 방식을 채택했기 때문이다. 이러한 기법은 일단 레이턴시가 많이 먹히는 연산에서의 레이턴시 단축이 매우 용이하기 때문에 메리트가 있지만 그만큼 별도의 트랜지스터가 확보되어야 한다는 단가상의 난점이 있다. 결국, 6천만개를 상회하는 트랜지스터 개수는 당연한 셈이다.

④ 결론
결론적으로, X-Chip은, 현존하는 저가형의 게임용 그래픽 가속코어보다도 병렬처리의 측면에서 대단히 비중이 높게 실려 있는 아키텍쳐를 채택했다는 데 나름의 의의가 있다. 물론, 지포스 기반인 만큼, C&E(Cube & Environment) 매핑이나 픽셀당 셰이딩 따위의 지포스 특유의 기능도 고스란히 지원되고 있으며, 프로그래머블 픽셀 셰이딩 엔진도 탑재되어 있다. 더욱이, 텍스쳐 데이터를 비디오메모리상에서 1:8까지 압축하는 기능(엔비디어식으로 표현하면 아마도 VTC(Volume Textrue Compression) 테크놀러지에 해당된다)도 지원되어, 텍스쳐 처리의 측면에서도 이점을 갖는다.

간과할 수 없는 측면은, X-Chip이 단순한 그래픽 가속코어가 아니라, 인텔식으로 표현하면 노스브릿지+MCH에 해당되는 기능도 통합되어 있다는 점이다. 즉, 지오메트리 + 렌더링 엔진 + CPU 인터페이스 + 對사우스브릿지 인터페이스 + 메모리 컨트롤러가 X-Chip의 정체인 셈이다. 전체 개발은 당연한 얘기이지만, 엔비디어가 진행하고 있다.

하지만, 아무래도 PC기반인 만큼, 인텔이 짜증날 정도로 텃세를 부리고 있는 코어로직의 IP(Intellectual Property; 지적재산권)의 크로스라이센스에 있어서 엔비디어가 그렇게 성공적이지는 못한 것으로 보인다. 이부분에서 인텔이 태클을 걸 경우의 분쟁의 소지에 대해서는 차후 기회가 되는 대로 다루어 보도록 하겠다.

■ PS2와 X-Box : 상이한 메모리 아키텍쳐
 

노골적으로 PS2를 타겟으로 했음을 표면에 드러내고 있는 마이크로소프트의 X-Box이지만, 그렇다고 해서 X-Box가 아키텍쳐상으로도 PS2의 노선을 답습하고 있느냐 하면 전혀 그렇지 않다. 특히, 이러한 차이점 가운데에서도 가장 두드러지는 부분이 메모리 아키텍쳐라고 할 수 있다.

X-Box의 메모리 아키텍쳐는 이른바 UMA(Unified Memory Architecture) 방식으로, 간단히 말해서 단일 메인메모리를 기존의 CPU 전용이 아닌, 그래픽 가속부문과 공유하여 메인메모리 = 비디오메모리의 관계가 성립하게 된다. 이와는 반대로, PS2는 통상적인 노선을 채택, 메인메모리와는 별도로 PS2의 그래픽 가속부문인 GS(Graphics Synthesizer) 전용의 비디오메모리가 할당되어 있다. 결과적으로, X-Box의 비디오메모리는 양적으로는 우위를 차지할 수 있게 되었으나, AGP가 그러했던 것처럼 대역에서는 불리함을 면키 어려워짐으로써, 대역에서는 우위를 차지하지만 용량면에서는 그렇지 못하게 되어버린 PS2와 절묘한 대조를 이루게 된 셈이다.
 

[ 표. PS2와 X-Box의 메모리 아키텍쳐 대비 ]

■ 메모리 대역의 실제

■ PlayStation 2
X-Box는 UMA인 만큼, 64MB의 메모리에서 비디오메모리(= 프레임버퍼 + 텍스쳐 메모리)를 융통성있게 할당하고 또 이를 수시로 변경하는 것이 가능하다. 이러한 방식은 위에서도 기술한 바와 같이 용량면에서의 메리트가 탁월하여, 이론적으로는 PS2의 비디오메모리의 몇 배에 달하는 용량을 끌어낼 수 있다는 계산이 나온다.

하지만, 이러한 비디오메모리의 용량적 우위는 대역에서 간단히 추월당하고 만다. 실제로, PS2의 48GB/sec의 대역에 대해서 X-Box의 UMA 대역은 6.4GB/sec로서, 단순히 계산하더라도 거의 700% 이상의 차이가 벌어지고 있다. 이것은 PS2의 비디오메모리가 GS에 온다이 스케일로 탑재되는(embedded) 방식의 DRAM 아키텍쳐를 채택하고 있는 데서 기인하는 성격의 것이다.
 

물론 기존의 기술로는, 이러한 임베디드 DRAM의 용량은 제약이 매우 심한 것이 사실이며 이로인해 PS2 GS의 임베디드 DRAM 역시 4MB밖에 되지 않는 소용량의 제약을 면치 못하고 있는 것이다. 이러한 제약은, 기본적으로 로직과 메모리의 공정이 상당히 차이가 나고 또 괴리가 어느정도 있음에도 불구하고 이것을 억지로 쑤셔넣는 임베디드 DRAM의 공정상의 한계에 인한 것으로써, PS2의 경우 이러한 용량부족문제는 메모리 인터페이스의 폭을 넓히는 방식으로 보완되어져 있다. 즉, GS의 경우 메모리 인터페이스가 2560비트라는 엽기적인 규모로써, 읽기/쓰기용이 각각 1024비트씩 할당되고 나머지의 512비트가 텍스쳐용으로만 할당되는 초유의 인터페이스를 달성하고 있는 셈이다.

이렇게만 보면 대단하다!고도 할 수 있겠지만, 물론 그러한 방식의 단일 인터페이스는 거의 필요가 없고, 실제로는 GS의 픽셀 처리 파이프라이닝이 동시에 16 파이프라인을 돌릴 수 있는 것이므로, 픽셀처리 파이프당으로는 읽기/쓰기가 각 1024÷16 = 64비트, 텍스쳐가 512÷16 = 32비트의 버스폭을 갖는 것으로 볼 수 있다. 하지만, 이러한 방식의 인터페이스 구성은 PS2에 최적화되어 있는 효율적인 것이라고 단언할 수 있다. 왜냐하면, GS의 픽셀데이터는 칼라 32비트(R+G+B+알파채널당 각 8비트)에 Z-버퍼가 32비트로써 도합 64비트/픽셀의 구성을 갖는데, 여기서 텍스쳐데이터는 32비트/픽셀로써, 렌더링 엔진이 요구하는 수준에서 더도 아니고 덜도 아닌 만큼만 비디오메모리의 대역을 갖다붙인 찰떡궁합이라고 할 수 있기 때문이다.


■ X-Box
위의 표의 내용만을 보자면, 일단 한눈에 들어오는 PS2의 메모리 인터페이스 때문에 X-Box의 메모리 대역은 좀 한심해 보이기까지 한다. 분명히, X-Box의 그래픽 가속부문인 X-Chip의 필레이트는 PS2의 배가 되는 4.8GPixel/sec급이기는 하지만, 이러한 수준의 필레이트를 정말 발휘한다고 하면, 딴짓 안하고 단순히 프레임 버퍼로만 읽기/쓰기만 해도 바로 40GB/sec에 근접하는 살인적인 메모리대역이 필요하다는 계산이 나온다. 게다가, X-Box의 메모리는 UMA 구성이기 때문에, CPU가 항상 전체 메모리 대역을 어느수준으로 점유할 수 밖에 없어서 그나마 실제로는 6.4GB/sec에도 못미치는 수준에 불과하다는 것을 쉽게 짐작할 수 있다.
 

하지만, HDTV급을 훨씬 상회하는 이러한 구극의 필레이트는 사실 지나치게 높은 것으로서, 단순히 비디오 가속용으로는 전연 필요가 없는 수준이다. 이것은, 마이크로소프트의 뻥튀기가 아닌가? 게다가, 결론적으로 말해서 위에서 계산한 요구수준의 15%선에 불과한 이러한 대역수준이 실제로는 거의 문제가 되지 않는다는 점은 더욱 엽기이다.여기에 대해서는 마이크로소프트측의 설명을 인용한다면, X-Chip의 개발사인 엔비디어(nVidia)측의 입장을 그대로 반영하여 X-Box급의 게임에서는 단일 픽셀의 반복처리가 점차 본격화될 것이라는 전망에 기인한 것이라는 얘기다.

무슨 말이냐 하면, 단일광원에서 벗어나 다중광원처리로 간다든지, FSAA(Full-Screen Anti-Aliasing)으로 가는 현재의 게임 발전노상에 있어서는 이러한 수준의 픽셀처리 성능이 뒷받침되어야 한다는 것이다. 좀더 구체적으로는, 단일 픽셀에 대한 렌더링은 복수의 사이클로 걸어버린다는 것으로써, 초기의 픽셀 처리가 끝나더라도 바로 메모리로 보내버리는 것이 아니라, 다시 그 결과를 픽셀 파이프라인에 다시 흘려보내어 준다는 것이다. 이 경우 반복처리에 따른 필레이트의 요구대역은 분명히 (비디오)메모리 대역을 월등히 상회하게 되므로 위의 결과를 논리적으로 뒷받침하게 된다.

그러나, X-Box의 메모리 대역이나 필레이트 따위가 수치상으로 십분 발휘되려면, 단일 픽셀을 최대 7번까지 픽셀처리엔진에 넣고 돌려야 한다. 당연히, 이렇게까지 하지 않는 한 X-Box의 그래픽 성능을 극한까지 뽑아냈다고는 볼 수 없다. 뭐 수치상의 성능 뻥튀기가 관행이 되어 있는 작금의 컨슈머 3D 업계의 작태를 감안하면 일견 당연하다고도 할 수는 있겠지만, 현재의 PC게임 그래픽 수준을 감안하면 전혀 현실적이지 못한 것은 사실이다. 이것은, 뒤집어 얘기하면 마이크로소프트가 상당히 시대를 앞서가는 PC게임 그래픽 감각을 갖고 있는 것이라고도 할 수 있는 것인데, 이점에 대해서는 추후에 사정이 되는 대로 언급하기로 한다.