니시카와 젠지의 3D 게임 팬을 위한 그래픽스 강좌 [GDC 특별편]
NGP에 채용된 GPU의 개발원에게 듣는 PowerVR SGX543MP4+의 모든것
NGP보다도 신세대의 GPU가 빨리도 발표!?
iPhone 같은 스마트폰이나, iPad 같은 태블릿 단말에 채용되었고, 얼마 전에는 소니 컴퓨터 엔터테인먼트의 NGP(Next Generation Portable)에도 채용된 GPU라고 하면 PowerVR 시리즈다. 의외로 모르는 사람도 많은듯 하지만 인텔의 ATOM 베이스의 GMA500/GAM600이 PowerVR 기반이다. 다시 말해 PowerVR은 스마트폰이나 태블릿 만이 아니라, VAIO P나 VAIO X 같은 Windows 기반의 넷북 PC에도 채용되어 있다는 소리로, 현재 PowerVR 채용 하드웨어를 소지하고 있는 사람은 의외로 많다.
올드 게임팬에게 있어서는 「PowerVR = 드림캐스트의 GPU」라는 인식을 갖고 있는 사람도 적지 않을 것이라 생각하는데, 요즘에는 「소비전력 대 성능」중시의 하드웨어에 있어 거의 메인스트림이 되었다고 할 수 있는 GPU다.
올해의 GDC의 전시회장에서도 PowerVR 개발원인 Imagination Technologies가 부스를 출전하여, 기술쪽에 아주 자세한 PowerVR Graphics, Business Development의 Kristof Beets 씨와 Director of PR인 David Harold 씨와 인터뷰를 할 기회를 얻었기에, 그 결과 리포트를 전한다.
「TILE BASED DEFERRED RENDERING」이란 무엇인가?
NGP에 채용된 PowerVR SGX543MP4+ 만이 아니라, PowerVR 계열 GPU에서 공통적으로 이용되고 있는 기술이「TILE BASED DEFERRED RENDERING(TBDR)」이다.
상세한 내용은 「니시카와 젠지의 3D 게임 팬을 위한 차세대 PSP - GPU 강좌」에서 설명했으므로 이 것을 참조하면 알겠지만, 일반적인 GPU와는 달리 Z버퍼(심도 버퍼)를 사용하지 않고 렌더링하는 점을 특징으로 들 수 있다. 일반적인 3D 그래픽스 렌더링에서는 3D 오브젝트를 2D 공간(화면좌표계)에 사영하여, 그 2D 형태을 묘화하게 되는데, 이 때 이미 묘화된 화면을 겹쳐그리게 된다. 2D 형태으로 집어넣지만 그리려고 하는 것은 3D 세계이므로, 2D 형태에 들어갈 삼각형(폴리곤)의 전후판정을 할 필요가 있다. 이 판정에 이용되는 것이 픽셀 단위의 깊이값을 저장하는 Z버퍼의 내용이다.
다시 말해, 일반적인 3D 그래픽스 렌더링에서는 묘화할 3D 오브젝트가 늘어나면 그림이 겹쳐지게될 확률이 높아지고, Z버퍼에의 접근도 증가한다. 만약 전후판정의 결과, 그리지 않게 된다고 해도 Z버퍼 접근은 일어나므로 메모리 대역을 소비하게 된다. 메모리 대역을 소비하는 것은 소비전력의 증가로 이어진다.
그래서 TBDR에서는 묘화대상이 되는 화면을 적당한 블럭으로 나누어(TILE BASED), 각 블럭별로 이 전후관계의 판정을 먼저 처리한다. 그 후, 최종적인 조명과 셰이딩을 나중에 처리(DEFERRED RENDERING)하게 되는데, 이 처리는 전 단계의 블럭별로 GPU 코어 내에에서 병렬처리된다.
NGP에 채용된 SGX543의 예를 들자면, 각 코어에는 4기의 셰이더 유닛이 실장되어 있으며, 이것이 4코어 있으므로 각 타일의 렌더링은 4유닛×4코어=16기의 셰이더 유닛으로 병렬처리되게 된다.
앞에 나온 과거 연재기사에서는 각 블럭이 16×16 픽셀이라고 적었지만, 이에 관하여 Beets 씨는 이렇게 이야기했다. 「요즘의 PowerVR 계열 코어에서는 32×32 픽셀을 기본 블럭 사이즈로 하고 있다. 일단 조합될 비디오 메모리 용량 등이나 렌더링 해상도에 따라 블럭 사이즈를 변경가능하긴 하지만, 기본적으로 32×32 픽셀이라고 알아두면 된다」(Beets씨)
PowerVR 아키텍처를 감싼 의문
NGP에 채용된 SGX543는 “MP4” 사양으로 4코어이지만, 최대로는 MP16의 16코어까지 설정가능하게 되어 있다. 각 코어의 동작제어는 어떻게 되어있을까.
예를 들면, 몇개의 코어를 정점처리에 할당하고, 몇개의 코어를 픽셀 처리에 할당한다던가, NVIDIA의 SLI 처럼 렌더링할 프레임을 코어 별로 할당할 수 있을까.
「멀티코어 사양이 되어있을 경우에는, 완전히 하나로 통합된 하드웨어처럼 동작된다. 즉, 각 셰이더 유닛은 종류가 다른 작업(예를 들면, 정점처리 작업과 픽셀처리 작업의 조합 같은)을 동시에 담당하게 되는 경우가 있다. 각 작업에서 메모리 접근 스톨이 발생하면, 이것을 은폐하기 위해 작업 전환이 일어난다. 각 셰이더 유닛을 풀활용하기 위해서는 부하 밸런스 조정을 자동적 및 총괄적으로 처리할 필요가 있으므로, 각 코어를 용도 별로 배분하는 것은 불가능하며, 해서도 안된다.」(Beets 씨)
SGX5 시리즈는 GPGPU에도 대응한다. 예를 들어 미디어 처리나 물리 시뮬레이션 처리처럼, 명확하게 종류가 다른 GPGPU 작업이 혼재되어 있을 경우에는 어떨까.
「마찬가지다. 셰이더 유닛을 풀활용하기 위해서는 많은 종류의 작업을 실행시키는 편이 좋다. 실제로 PowerVR의 작업 스케쥴러는 설정가능하므로 기술적으로 불가능하지는 않다. 다만, 하나의 코어에 한 종류의 처리를 전담시키면 메모리 접근이 특정 장소에 집중되는 경향이 있다. 다른 종류의 작업을 섞어서 작업을 스위칭시키는 편이 메모리 접근의 인터리브 효과도 생겨나 효율이 좋다.」(Beets 씨)
또한, 멀티코어의 설정에서는 블럭 다이어그램에는 없는 상위 계층의 스케쥴러가 실장되어 있어, 여기서 각 코어에 대해 자동적으로 작업 배분을 하게 되어 있다고 한다.
NVIDIA의 SLI이나 AMD의 CrossFire 같은 단독 동작하는 GPU의 PCI-Express 버스에 달려있는 멀티 구동과는 달리, PowerVR 계열의 멀티코어의 경우에는 원칩 내에서의 멀티 구동이 되므로, 처음부터 멀티 구동을 전제로 한 논리설계가 되어 있다. 따라서, “방법”으로서는 멀티코어 GPU라기보다는 싱글코어 GPU에 가깝다고 할 수 있다.
예를 들어, 가벼운 작업을 실행하고 있을때는 1코어, 3D 그래픽스 렌더링을 처리할 때에는 4코어……라는 식으로 코어의 유효화와 무효화를 코어 단위로 제어하는 것은 가능할까?
「기술적으로는 가능하고, SoC에서 PowerVR을 집어넣을때 그런 제어를 넣는 것도 가능할 것이다. 다만, PowerVR 아키텍처는 원래 절전성능이 우수한 아키텍처이다. 예를 들어 1코어에 딱 맞는 부하의 작업이 있다고 해도, 4코어 중 1코어만 움직이게 하고 남은 3코어를 꺼두는 것과, 4코어 전체로 순식간에 끝내버리고 4코어를 휴면상태로 하는 것은 소비전력에 있어 큰 차이가 없다.」(Beets씨)
NGP에 채용된 PowerVR SGX543MP4+에 있어서 "+"의 의미는?
NGP의 GPU에 관해서 자주 오르는 화제에 「SGX543MP4+의 "+"는 무슨 의미?」라는 것이 있다.
David Harold 씨는 이 의문에 대해 이렇게 답했다.
「소니 컴퓨터 엔터테인먼트는 우리에게서 PowerVR SGX543MP4의 IP를 구입한 것으로, 실제 칩, SoC를 구성하는 것은 그들 자신이다. 그들이 우리의 IP를 어떻게 개량할지는 우리들이 알 수가 없다. 소니는 지금까지 오랫동안 게임 업계에 있어왔고, 그래픽 프로세서에 관한 노하우도 상당히 갖고 있으므로 게임 대상의 독자적인 개량이 행해질 것이다.」(Harold 씨)
참고로, 필자의 취재에 의하면 이 "+"부분에 그다지 커다란 의미는 없는 느낌이었다. 구체적으로는, 아마도 OpenGL ES 2.0 사양에는 없는 독자적인 기능을 제공하거나, 포맷 등을 지원하는 정도일 것이라 생각된다.
예를 들면, HDR 렌더링에 있어서 최신의 PC용 GPU에서는 각 채널 16비트의 부동소수점(FP16)의 64비트 버퍼가 표준적으로 사용되고 있지만, 이것은 버스폭 64비트의 SGX543 계열에서의 사용에는 적합하지 않다. 따라서, NGP 용의 SGX543MP4"+"에서는 32비트에서 나름대로 높은 다이나믹 레인지를 발휘하는 9995 버퍼같은 것이 지원된다고 한다. 각 RGB가 9비트, 5비트에는 각 RGB에 대한 공통지수항이 저장되어, 그 포맷을 텍스처만이 아니라 렌더링 타겟으로 이용할 수 있는 듯 하다.
TILE BASED DEFERRED RENDERING에 관한 의문
TBDR에 관한 의문점에서 상당히 많았던 것이 반투명 오브젝트의 렌더링에 관한 것으로, 그 중에서도 필두에 둘 수 있는 것이 「TBDR에서 반투명(및 투명) 오브젝트의 렌더링이 늦어지는 것은 어째서인가」하는 점이다.
「이것은 받아들이는 방법의 문제라고 생각한다(웃음). TBDR에서는 불투명 오브젝트(픽셀)에 관해서는 어떤 오브젝트끼리 겹쳐져도 TBDR의 은혜로 각 픽셀은 1회밖에 묘화되지 않으므로, 픽셀 음영처리(픽셀 셰이딩)은 한번만 하면 된다. 따라서 퍼포먼스는 고속이며 안정적이다. 한편, 복수의 반투명 오브젝트가 걸린 묘화의 경우, TBDR에서는 거기에 관련된 모든 픽셀의 음영처리가 쌓여, 셰이더 유닛측에서는 그것을 1회씩 처리해야 하게 된다. 결국, TBDR의 은혜를 얻을 수 없다는 것이다.」(Beets 씨)
즉, 「TBDR에서는 불투명 오브젝트 묘화에 있어서 엄청난 퍼포먼스를 얻을 수 있지」만, ｢불투명 오브젝트는 TBDR의 은혜를 얻을 수 없어」서, 그 격차로 인해 이것이 ｢느려진다」는 인상을 주게된다……고 말하고 싶은 듯 하다.
작년의 「니시카와 젠지의 3D 게임 팬을 위한 차세대 PSP-GPU 강좌」의 마지막 부분에서 「(3)묘화순서를 신경쓰지 않아도 올바르게 반투명묘화가 처리된다」고 한 기술에 대해, 「그건 아니지 않나?」라는 질문을 받았기에, 이에 관한 질문도 던져보았다.
「반투명 오브젝트가 걸려있어도 TBDR은 제대로 처리되며 "묘화는 일반적인 렌더링 파이프라인과 같은 방법으로" 처리될 뿐이다. 반투명 오브젝트의 경우에는 깊이의 전후에 관계없이 배제되지 않으며, 눈에 보이는 오브젝트이므로, 물리적으로 올바른 반투명 묘화를 하고 싶다면 뒤쪽에서 앞으로 미리 정렬해둬야 한다.」(Beets 씨)
실제 문제점으로서, 반투명 오브젝트가 있는 장면에서는 어떠한 묘화가 적합할까.
「TBDR에서는, 반투명 오브젝트의 묘화는 불투명 오브젝트의 묘화와 동시에 처리하기보다는 명시적으로 나누어서 처리하는 편이 효율이 좋다. 구체적으로는 먼저 불투명 오브젝트를 렌더링하고 그 후에 반투명 오브젝트를 렌더링해서, 나중에 양쪽을 합성하는 수법이다. 반투명 오브젝트의 묘화에서는 뒷방향 폴리곤의 컬링이 필요없고, 깊이 정보의 전후 관계에 기초한 컬링도 의미가 없기에 불필요하기 때문이다.」(Beets 씨)
또 하나 많았던 질문이 「Z버퍼를 사용하지 않는 TBDR에서 장면의 심도정보를 샘플링하여 처리하는 SSAO(Screen Space Ambient Occlusion)같은 포스트 이펙트를 처리할 수 있는가」하는 것이다.
「렌더링 옵션에서 심도값을 출력하도록 설정하면 Z 버퍼를 얻을 수 있으므로 문제없다. 알고리즘에 따라서는, 예를 들자면 MMRT(멀티 렌더 타겟)을 이용하여 특정 버퍼에 대한 선형적인 심도값을 얻는다는 방법도 있을 것이다.」(Beets 씨)
NGP의 SGX543MP4+ 보다도 신세대의 PowerVR 6 시리즈를 발표한 Imagination Technologies
NGP에 채용된 PowerVR SGX543MP4+은 하이엔드인 Power VR SGX5XT 시리즈로 분류되는 물건이지만, 실은 이 하이엔드 시리즈의 후계가 빨리도 등장한다는 것이 밝혀졌다.
PS3에 NVIDIA의 GeForce 7800 GTX에 상당하는 코어가 채용되는 것이 발표된 후에, NVIDIA 스스로가 프로그래머블 셰이더 ㅔ대를 1세대 새롭게 한 GeForce 8800 GTX 시리즈가 발표된 것을 떠올리게 하지만, 진화가 빠른 반도체 비즈니스에서는 피할 수 없는 사태이기도 하다.
이 신 PowerVR의 코드네임은 「Rogue」라 하며, PowerVR 6 시리즈에가 될 것이라고 발표되었다.
이 PowerVR 6 시리즈는 어떤 물건이 될 것인가.
「실은 자세한 내용은 홍보전략상 당분간은 감추기로 했다(웃음). 우리 고객중 하나인 ST ERICSSON이 발표한 것이 현 상황에서 이야기 할 수 있는 것이 전부라고 생각해주길 바란다. 진화가 현저한 이 분야에 있어서, 경합중인 타 회사를 자극하는 것은 가능한 피하고 싶다(웃음). 다만, 이미 몇몇 회사가 6시리즈에 관한 계약을 맺었고, 문의도 많은 것은 사실이다.」(Harold 씨)
ST ERICSSON의 뉴스 릴리즈는 이쪽에서 읽을 수 있다.
이에 따르면 선대 PowerVR 5 시리즈에 비해 20배의 렌더링 퍼포먼스를 발휘할 수 있으며, 그 렌더링 성능은 초당 3억 5천만 폴리곤, 130억 픽셀의 필레이트라고 한다.
NGP에 채용된 SGX543MP4(+)는 초당 1억 3300만 폴리곤, 초당 40억 픽셀이라는 것을 생각하면 상당히 높은 성능이라는 것을 예측할 수 있다.
또, PowerVR 6 시리즈의 연산성능은 210GFLOPS라는 것을 발표했다. 210GFLOPS라는 것은, 모바일 PC용 GPU로 치면 GeForce GT 430나 RADEON 6450 등과 같은 정도의 성능이라는 것이 된다.
이것은 상당히 만만치 않은 퍼포먼스다.
「Rogue는 OpenGL ES 2.0의 차세대판, 코드네임 「Halti」를 지원하는 것은 확실하다. 그와 함께 DirectX 11도 지원한다. 이보다 자세한 것은 말할 수 없다.」(Harold 씨)
DirectX11의 지원……이것은 다시 말해 Rogue에서는 테셀레이션 스테이지의 탑재를 시사하고 있다는 말이다.
만에 하나, NGP가 PowerVR 6 시리즈를 채용했다고 한다면 DirectX 9 세대의 셰이더 아키텍처를 채용한 PS3 보다도 선진적인 그래픽 아키텍처를 채용하게 되었을테지만, 그것은 이루어지지 않았다.
또, 이 “내기 아까운” PowerVR 6 시리즈는 실제로는 2011년 내의 제공이 예정되어 있다. PowerVR을 갖고 있는 Imagination Technologies의 약진은 2011년에도 멈출줄을 모른다.