GPU의 역사 - 1 : FFP에서 SIMD까지

그래픽카드의 한계

 2000년대 초반의 GPU는 FFP(Fixed Function Pipeline)중심이었고, 지금처럼 복잡한 셰이더 기반 렌더링이 불가능했습니다. VRAM 용량도 32~64MB 수준이라 SSAA나 고급 조명 기법을 적용하기 어려웠죠. 이 글에서는 당시 GPU의 한계를 살펴보고, 어떻게 SIMD 기반의 Programmable Pipeline 으로 발전했는지 정리합니다.

 

MSAA (Multi-Sampling Anti-Aliasing)

MSAA vs EQAA 샘플 패턴 비교 이미지

Pixel Boundary

한 픽셀을 크게 확대한 사각형 틀. (픽셀은 점이 아니라 “면적”을 가진 사각형입니.)

Color Sample Location

픽셀 내부의 특정 지점(Point)에서 실제 색상(Color)을 샘플링하는 위치. 여러 Color Sample을 블렌딩하여 최종 픽셀 색을 만든다.

Coverage Sample Location

폴리곤이 픽셀을 얼마나 덮고 있는지(Coverage) 판단하는 지점. 각 샘플이 폴리곤 내부면 1, 외부면 0에 해당하며, 이를 평균내어 블렌딩 가중치(강도)로 사용한다. Color Sample보다 계산 비용이 훨씬 낮다.

 

 초기 GPU의 VRAM 용량이 32 ~ 64MB 하던 시절에는 픽셀 단위로 복잡한 처리를 수행할 수 없었습니다. 그래서 이미지 전체를 더 높은 해상도로 여러 번 렌더링하는 SSAA(Super-Sampling Anti-Aliasing)을 다운 샘플링을 하는 방식이 유일한 선택지였습니다. 해당 방식은 해상도 배율 x 샘플 수 만큼의 비용증가가 있었고, 이는 픽셀 셰이딩, 텍스쳐 샘플링, ROP(Blend / Depth / Color Write) 등 '픽셀 이후 단계'의 비용을 전부 O(S) 수준으로 폭증시켰습니다. 즉, 샘플 수만큼만 비용이 증가하는 것이 아니라, 렌더타겟 자체도 커지기 때문에 파이프라인의 대부분이 정비례로 비싸지는 구조였습니다.

 하지만 VRAM 용량이 어느정도 여유가 생기자, 픽셀 내부의 Color Sample과 Coverage Sample을 저장할 수 있는 구조가 가능해졌고, MSAA는 Pixel Shader는 한 번만 수행하고, Coverage Test와 Color Resolve만 샘플 수에 따라 반복하는 방식으로 SSAA 대비 큰 폭의 최적화를 달성했습니다.

 

Fixed Function Pipeline > Programmable Pipeline 의 과도기

FFP(Fixed Function Pipeline)

• Transform & Lighting
• Texture Stage State 기반 2~3단 텍스처 처리
• 멀티패스 조명
• DOT3 Bump Mapping(FFP LOD 바탕)
• Lightmap 기반의 Static Lighting
• UI, HUD, 간단한 머터리얼 > FFP로 렌더링

하지만 UE2 후반 버전은...

Programmable Pipeline 일부 적용

• Shader-driven Material Effects
• Normal Mapping
• Specular Mask
• Detail Normal Layer
• Color Modulation
• Hardware Skinning
• NVIDIA/ATI 전용 Shader Path

이것이 가능해진 이유는 GPU의 주요한 변화 덕분.

Scalar ALU vs SIMD Lane

기존

 Scalar ALU에 단순한 microcode 실행기를 사용하여 float4연산은 4개의 스칼라 연산을 순차적으로 연산하도록 실행, 단지 GPU에 Scalar ALU를 많이 담아서 단순 병렬처리를 수행했을 뿐.

SIMD(Single Instruction Multiple Data stream)의 등장

하나의 명령어(Single Instruction)를 Scalar ALU의 묶음인 SIMD Lane에 전달하여 연산에 사용될 Multi-Data를 레지스터/버퍼(L1/L2, GPR)에 담아 연산하도록 실행

 

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