3DMark Android 판의 결과로부터
(원문 : 3DMark Android 版の結果から)
Android판 3DMark 앱의 DEVICE CHANNEL에서 각 기종의 결과를 볼 수 있습니다. 매우 흥미진진하고, 보고 있으면 재미있는 데이터이기에 정리해봤습니다.
SoC CPU core GPU Score CPU vs GPU
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APQ8064 Krait x4 Adreno 320 8000-11000 CPU <= GPU*
Exynos5D Cortex-A15 x2 Mali-T604 7800 *CPU > GPU
MSM8960 Krait x2 Adreno 225 5000-6500 CPU <= GPU*
MSM8x60 Scorpion x2 Adreno 220 3700-5000 CPU <= GPU*
Tegra3 Cortex-A9 x4 ULP GeForce(12) 3000-4000 *CPU >> GPU
K3V2 Cortex-A9 x4 Vivante GC4000 3400-3700 *CPU >> GPU
OMAP4470 Cortex-A9 x2 PowerVR SGX544 3600 *CPU >> GPU
Exynos4Q Cortex-A9 x4 Mali-400MP4 2500-3400 *CPU >> GPU
Z2460 Atom x1 PowerVR SGX540 2400 *CPU >> GPU
Exynos4D Cortex-A9 x2 Mali-400MP4 1600-2100 *CPU >> GPU
OMAP44x0 Cortex-A9 x2 PowerVR SGX540 1300-3400 *CPU >> GPU
MSM8x55 Scorpion x1 Adreno 205 1750 CPU < GPU*
RK3066 Cortex-A9 x2 Mali-400MP4 1200-2800 *CPU >> GPU
Tegra2 Cortex-A9 x2 ULP GeForce(8) 1400-2100 *CPU >> GPU
・Score 값이 높을수록 빠름
・수치는 항상 변동하므로 현시점에서의 참고치로 봐주시길.
가장 오른쪽 열은 CPU와 GPU 중에 어느 쪽의 수치가 더 높은지를 나타냅니다.
전체적으로는 Adreno22x/320의 수치가 높은 경향이 있습니다. 오른쪽 열을 보면 알 수 있듯, CPU 보다도 GPU의 점수가 높은 것은 Qualcomm (Adreno)의 프로세서뿐입니다.
Exynos/OMAP/Tegra 등, Quallcom 이외에는 모두 CPU 쪽이 높게 나타나고 있고, 그 차이도 2배 정도까지 넓혀져 있습니다.
어째서 이런 결과가 되었는지 생각해보겠습니다.
CPU
CPU는 두 그룹으로 나뉘어집니다.
(A) Cortex-A9, Scorpion
(B) Cortex-A15, Krait
(B)는 새로운 세대의 CPU 코어로, 동작 클럭 차이도 있지만 실행효율 자체도 향상되어 있습니다. 예를 들어 (A)가 2 명령 디코드(역자 주: 원문에는 deocde라고 되어있으나 decode의 오타라고 생각되어 수정)의 Out-of-Order 실행인 것에 대해, (B)그룹은 3 명령으로 끌어올려져 있습니다. 동일 클럭, 동 코어수라도 Krait, Cortex-A15 쪽이 고속입니다.
Adreno
각 회사의 SoC/GPU는 다종다양하며 특기분야가 확실합니다. Adreno는 ATI 의 흐름을 이은 모바일용 GPU로, 가장 데스크탑용 GPU에 가까운 기능을 갖고 있습니다. 이것은 다른 GPU에는 없는 커다란 특징입니다.
예를 들자면 정점 텍스처나 볼륨 텍스처(3D 텍스처) 등, 모바일 용도로는 별로 필요치 않은 기능에도 확실히 대응하고 있습니다. 다음 링크에 실제로 각종 GPU 기능을 비교한 표가 있습니다.
프래그먼트 셰이더(픽셀 셰이더)의 연산정밀도도 fp32의 highp 고정으로, 묘화 품질 역시 데스크탑 GPU와 동등합니다. 퍼포먼스를 높이기 위해 눈에 보이는 것을 희생할 필요가 업습니다.
그 대신 초기의 Adreno 20x/AMD Z430에서는 정점 캐시가 없었고, 데스크탑 GPU와 동등한 묘화기능을 가진 반면, 퍼포먼스는 생각했던 것만큼 나오지 않는 경향이 있었습니다. 이 점은 Adreno 22x 이후 개량되어, 묘화 프리미티브에 의존하지 않으며 스루풋이 크게 올라가 있습니다.
복잡한 셰이더도 상당히 잘 돌아가지만, 애플리케이션에 따라서는 그다지 속도가 나오지 않는 것도 있습니다. 어디까지나 상상에 지나지 않지만, Adreno는 OpenGL ES 1.1의 고정 파이프를 시뮬레이션하는 부분이 그다지 좋지 않은 것일지도 모릅니다. (미확인입니다)
셰이더를 사용하여 묘화할 경우, Adreno는 극단적으로 모바일에 특화된 최적화할 필요가 없으며, 셰이더를 그대로 이식해도 속도가 잘 떨어지지 않는 경향이 있습니다. 이 점이 벤치마크에서 유리하게 작용하는 것이 아닐까 합니다. 정리하자면,
- highp 고정이라 연산정밀도를 떨어트리지 않아도 속도가 변하지 않음
- 모바일용으로 mediump/lowp화하는 등 특별한 최적화를 할 필요가 없음
- PC의 묘화 품질에서 떨어트릴 필요가 없음
- Uniform 수, Sampler 수도 많고 Extension도 풍부하여 호환성을 유지하기 쉬움
- 통합 셰이더이므로, 정점 부하, 픽셀 부하 어느쪽에든 대응하기 쉬움
또 Adreno 320는 OpenGL ES 3.0에 대응하는 새로운 설계의 GPU 코어이므로, 세대적으로도 상당한 고성능입니다. 사용되는 API 가 ES 2.0이므로, 아직 잠들어있는 하드웨어 기능도 있습니다. 앞으로도 더욱 점수가 늘어날 것이라고 생각됩니다.
Mali-400MP4
GPU의「코어 수」는 GPU에 따라 세는 방법이 다르며 단위도 제각각입니다. 단말의 스펙에 GPU의 코어 수가 적혀있는 경우도 있지만, 성능의 지표가 될 수 있는 건 어디까지나 동일 GPU끼리 비교했을 때 뿐입니다.
PowerVR SGX의 MP1～4은 CPU와 거의 같은 개념으로, GPU 그 자체가 복수 존재하여 병렬로 동작합니다.
Tegra의 코어 수는 GPU 내의 연산 유닛 수를 나타냅니다. G80 이후의 데스크탑 GPU에 맞춘 것으로, 통합 셰이더의 스트림 프로세서에 해당하는 것이 몇개분인지를 나타냅니다. Discrete 이지만 정점, 프래그먼트 둘다 카운트됩니다.
Mali-400은 다음 페이지의 그림(Mali-400 MP Image)에 나와있듯 프래그먼트 프로세서의 유닛 수를 선택할 수 있으며, MP1～MP4라고 불립니다. 이 숫자에는 정점 프로세서가 포함되어 있지 않습니다.
Tegra2/3에서도 8→12로 코어 수는 늘어났지만 정점 유닛 수는 동일합니다. 만약 Mali-400MP와 마찬가지로 프래그먼트 프로세서만을 센다면 Tegra2의 ULP GeForce(8)는 정점 4 + 프래그먼트 4로 MP1, Tegra3의 ULP GeForce(12)는 Vertex 4 + Fragment 8로 MP2가 될 것입니다.
다시 말해 Discrete Shader의 GPU에서는 스펙 표기상의 코어 수가 늘어나도, 정점 성능이 향상된다고는 할 수 없습니다.
Galaxy S2에서 Mali-400MP4가 등장했을 때에는 픽셀 퍼포먼스가 굉장히 높아, 다른 GPU와 비교해도 좋은 성능이었습니다. 하지만 그 후 복잡한 3D 장면에서는 정점 성능이 병목이 되었다는 것을 알고 계실겁니다.
위에서 보신 대로 MP4에서도 정점 성능은 늘어나지 않았고, 10～20만 정도의 비교적 낮은 레벨에서 한계에 부딪히고 있는 듯 합니다.
3DMark Ice Storm의 폴리곤 수는 상당한 하이폴리곤인 듯 한데, Mali-400MP4의 퍼포먼스가 나타나지 못하는 것은 그 때문이라고 생각됩니다.
픽셀 셰이더는 mediump이라 엄밀히는 데스크탑 GPU보다 연산정밀도가 떨어집니다. 다만 Tegra나 PowerVR SGX처럼 최적화를 위해 정밀도를 깎아야할 정도로 빡빡하지는 않습니다. 정점이 병목일 뿐 픽셀측은 mediump 고정이므로 그다지 손을 댈 필요는 없을 듯 합니다.
Mali-T604 이후는 통합 셰이더이므로 특성이 또 달라질 것입니다.
Tegra2/3
Mali-400MP와 같은 Discrete Shader지만, 특성은 정반대입니다. 정점에 여유가 있는 대신에 픽셀이 부족해져서, 비교적 하이폴리곤에 심플한 머티리얼일 때 퍼포먼스가 좋아지는 듯 합니다.
Mali-400MP와 마찬가지로 픽셀 정밀도는 mediump까지이지만, 복잡한 셰이더 코드에서는 lowp를 병용하여 질보다 속도를 우선해야할 경우가 생깁니다. 깊이의 해상도도 다른 GPU보다 떨어집니다.
다른 GPU보다도 대응 확장기능이 떨어지며, 하드웨어 기능도 대담하게 삭제되었습니다. 예를 들자면 깊이 텍스처를 사용할 수 없어 섀도우 맵을 컬러 맵에 써넣어야 합니다. 깊이를 압축해야하기에, 셰이더에도 추가 연산 코드가 필요합니다. OpenGL ES 2.0의 사양 상 깊이 텍스처 대응이 필수는 아니지만, 대응하지 않는 GPU는 Tegra2/3 뿐입니다.
3DMark에서는 비교적 하이폴리곤이지만 Mali-400MP 정도로 점수가 떨어지지는 않으며, GPU의 능력으로서 타당한 결과라 생각됩니다.
NVIDIA답지 않은 성능의 GPU도 아마도 이것이 마지막이 아닐까 합니다. Tegra4에서는 기능면에서도 속도면에서도 크게 손을 대어 점수가 상당히 늘어날 것이라 생각됩니다.
PowerVR SGX
이전의 기사에서도 적었듯, PowerVR SGX 5xx는 2종류가 있습니다. Android 단말에서는 낡은 Series 5(SGX540)가 많아, GPU의 성능면에서 벤치마크의 점수가 그다지 좋지 않은 듯합니다. 그 외에도 생각할 수 있는 원인이 있습니다.
PowerVR SGX는 어떤 묘화든 낭비없이 해내는 경향이 있습니다. 정점이 많은 장면이든 픽셀이 많은 장면이든 유연하게 따라갑니다.
사용 방법의 자유도도 높아 화질 우선으로 써도 되고, 속도 중시도 할 수 있고, 용도에 따라 마음대로 쓸 수 있습니다. 그 반면, 정해진 해법이 없이 상황에 맞는 판단이 요구됩니다.
예를 들자면 Uniform 수는 퍼포먼스를 생각한다면 128개 이내, 이식성이나 사용성을 위해서는 256개를 사용한다던가 하는 것입니다. (과거 기사의 comment를 참조)
또 픽셀에 highp fp32를 쓸 수 있어, 데스크탑 GPU와 동일한 정밀도로 묘화할 수 있습니다. 이 경우 퍼포먼스가 떨어지므로, 속도를 생각한다면 겉보기를 희생해서 mediump, lowp로 바꿀 수 있습니다.
다른 GPU와 달리 TBDR(타일 기반 지연 렌더링)이므로, ALU의 이용효율이 전체 퍼포먼스에 주는 영향이 큽니다.
통상의 GPU는 래스터라이저에서 픽셀 셰이더(프래그먼트 셰이더)가 호출되므로, 파이프라인 대기 사이클이 존재합니다. 래스터라이저나 깊이 테스트 등, 다른 스테이지가 막혀있을 때는 셰이더를 줄여도 속도가 크게 변화하지 않습니다.
PowerVR SGX는 지연 렌더링이므로, 픽셀 셰이더가 호출될 때에는 래스터라이저 등 다른 스테이지가 완료되어 있는 상태입니다. 셰이더의 명령을 줄이면 줄일수록 직접 퍼포먼스에 영향을 주므로 최적화가 힘들어지기 쉽습니다.
여기가 가장 Adreno와 다른 포인트로, 퍼포먼스를 우선한다면 상당히 손을 많이 써야할 필요가 있습니다. 고속화를 할 여지가 남아있다고도 할 수 있겠습니다.
첨언하자면 품질이 변할 경우 벤치마크 비교로는 올바르다 할 수 없기에, 3DMark는 비교적 높은 연산정밀도로 렌더링하고 있지 않나 생각됩니다. 만약 그렇다면 Tegra/Mali와는 달리 PowerVR의 점수는 더욱 오를 여지가 남아있게 됩니다.
iOS 판이 나오면, 어느 정도나 PowerVR SGX에 최적화되었는지 알 수 있게 될 것입니다.
결론
- 아마도 각 GPU 별 셰이더 최적화가 그다지 강하지 않으므로, 속도가 잘 떨어지지 않는 Adreno가 유리
- OpenGL ES 3.0 대응 최신 GPU + 신 CPU와, 한발 앞서 세대교체한 Qualcomm (Krait quad + Adreno 320)가 역시 빠름