The race for 4K: how Project Scorpio targets ultra HD gaming
4K 게이밍을 위한 레이스가 시작되었다. PS4 프로는 이미 출시되었으며 UHD 게이밍의 구현도는 게임마다 천차만별이지만, 확립된 일련의 테크닉을 이용해 상대적으로 평범한 GPU 성능으로 4K 해상도를 효과적으로구현하고 있다. 2016년 E3에서 프로젝트 스콜피오의 공개 이후, 마이크로소프트는 어떻게 새 하드웨어에서 4K를 지원할 수 있는지 개발자들에게 정보를 제공하기 시작했다. 개발자 포털에 등장한 백서는 "복수의 엑스박스 기기에서 4K 해상도를 달성하는 법과 GPU 스케일링"이라는 제목이 붙어있다. MS가 어떻게 UHD를 구현하려는지 살펴볼 훌륭한 견본이다. 그리고 스콜피오 하드웨어 그 자체에 대한 것도 랄려준다. 일단 시작으로, 엑스박스원의 말 많았던 ESRAM은 사라졌다.
엑스박스원 프로세서에 내장되어 있던 작지만 엄청나게 빠른 임베디드 메모리인 ESRAM은 DDR3 메인 메모리의 느린 속도를 보완하기 위한 캐시였다. 엑스박스360의 eDRAM의 진화형으로, ESRAM은 엄청나게 빨랐지만 한가지 단점이 있었다. 용량이 적다는 것이었다. MS의 백서에는 스콜피오엔 ESRAM이 없다고 말하고 있지만 기존 엑스박스원 하드웨어에서 성능을 내기 위해선 여전히 지원해야 한다고 지적하고 있다.
"ESRAM은 엑스박스원과 엑스박스원S에서 높은 성능을 내기 위해 여전히 필수적입니다. 하지만 프로젝트 스콜피오와 PC는 ESRAM이 없습니다. 개발자들은 프로젝트 스콜피오 전용 게임을 만들 수 없으므로, ESRAM 최적화는 MS 플랫폼의 퍼포먼스에 여전히 중요합니다."
백서는 렌더타겟 '알리아싱' 프로세스를 제안하고 있는데, 이는 엑스박스원에 적합하며 메모리를 상당히 절약할 수 있지만, PC에서는 32MB의 제약을 초과하 수 있어서 900p나 1080p에서 UHD로 업그레이드 할 수 있음을 시사한다. 멀티플랫폼 대응 전략은 ESRAM이 다른 플랫폼에도 좋다는 점을 강조하고 있다. MS는 ESRAM이 메모리를 절약해주며, 이렇게 만들어진 게임은 저사양 PC의 적은 VRAM에서도 잘 돌아가며 4K나 고품질 옵션을 더 구현하기 쉽게 해준다고 한다.
E3 프로젝트 스콜피오 스펙 분석에서, 우리는 ESRAM이 스콜피오에선 사라질 것이라고 가정했지만 많은 이들이 호환성을 위해 여전히 남아있을 거라고 생각하기도 했다. 이론적으로 320GB/s의 메모리 대역폭은 ESRAM의 낮은 레이턴시는 구현할 수 없다. MS 백서는 ESRAM의 레이턴시 상의 이점에 대해서는 어떤 언급도 없다. 단지 스콜피오의 훨씬 고성능인 메모리 대역폭이 ESRAM의 대역폭 수치를 능가한다고 되어있을 따름이다.
스콜피오 백서 유출에서 우리가 알 게된 게 무엇일까? 리치가 이 디지털파운드리 영상에서 모두 다루었다.
백서에는 스콜피오 최종 하드웨어에 대한 다른 힌트들도 있다. 6테라플롭 GPU는 다시 한번 확인되며, GPU의 컴퓨트 파워는 엑박원의 4.5배 정도이다. L2 캐시는 4배라는 것도 확인되었다. GPU에 대해선 많은 걸 알려주지 않지만, 적어도 AMD의 폴라리스 라인 수준으로 개선된 아키텍쳐라는 건 알 수 있다. 마크 써니와 PS4 프로에 대한 대화에서, 우리는 MS도 소니처럼 라데온 장래 로드맵에 접근해 베가 아키텍쳐의 기술을 활용한 커스텀 GPU를 만들 수 있을 거라고 짐작할 수 있었다. MS는 PS4 프로처럼 델타 컬러 컴프레션이 있다는 것 외에는 별로 알려주지 않는다.
MS 백서의 초점은 스콜피오의 성능의 잉용과 하드웨어의 사양을 짐작할 드문드문한 힌트들이다. CES에 앞서 스콜피오가 더 발전된 젠 CPU를 사용할지도 모른다는 추측이 나왔다. 하지만 MS 백서에서 개발자들에게 스콜피오의 성능을 어떻게 쓰라고 해놓은 부분을 보면, 그건 가능성이 낮아 보인다.
"우리는 개발자들이 프로젝트 스콜피오의 추가 GPU 자원을 모두 활용하고 싶어하지 않을 수도 있다는 걸 알며, 이는 의무사항이 아닙니다." 문서는 이렇게 말하고 있다. "게임을 가능한 좋게 만들기 위해서, 개발자들은 GPU 자원을 다른 품질향상 요소들, 고품질 그림자나 반사, 텍스쳐 필터링, 가시거리 등에 사용하게 될 것입니다. 개발자들이 고려할 만한 다른 옵션은 프레임 업스케일링입니다. 그래픽은 60Hz이지만 CPU는 30Hz로 돌아갈 성능일 때, 애니메이션을 보간해줍니다."
PS4 프로는 몇몇 타이틀에서 언락 프레임으로 돌아가는 고성능 모드가 제공되었다. 그리고 그들 중 어느것도 꾸준히 30프레임에서 60프레임으로 뻥튀기 해내진 못 했다. MS는 스콜피오는 그럴 수 있다고 말하고 있지 않으며, 대신 타협을 제시하고 있다. GPU가 CPU보다 거의 두배로 돌아갈 때, CPU에서 구현되는 요소들을 보간처리해서 맞추는 것이다. 훨씬 강력한 젠 코어로의 변경은 이런 방식을 택할 필요성을 거의 없게 만들 것이다. 우리는 이런 프레임 업스케일 기술을 이용한 타이틀을 아는 바가 없다. 예전에 매우 인상적인 포스 언리쉬드2 테크데모가 있긴 했지만 말이다. 하지만 적어도 이 코멘트는 스콜피오의 CPU가 GPU 만큼 향상되진 않았다는 우리의 추측을 확인해준다.
엑스박스원 APU 프로세서의 모습. ESRAM에 점유당한 많은 공간-16nm로 공정미세화 되어도 스콜피오에 들어갔다면 상당한 영역을 잡아먹을 것이다-은 약속한 6테라플롭을 달성하는데 쓰는 게 나을 것이다.
공정을 기하자면, 사실 MS도 그렇다고 한 적이 없다. CPU가 8코어임은 확인되며, 이는 현존 CPU 기술의 고클럭 버전일 것이라고 시사한다. 그리고 모든 초점은 기존 게임 엔진을 4K 해상도에 HDR로 돌리는 것이다. 백서는 그걸 어떻게 구현하는지에 집중하고 있다. 4.5배의 컴퓨트 성능 향상은 1080p 게임을 스콜피오에선 멋지게 4K로 향상시킬 것이다. 하지만 현실은 많은 엑스박스원 타이틀이 900p로 돌아간다는 것이다. 그럼 4K로 점프하기 위한 성능은 픽셀수로 볼 때 5.76배가 필요한데, 개발자들은 순전히 픽셀 수 증가에만 GPU를 탕진하고 싶어하진 않을 것이다.
하지만 GPU가 단순 컴퓨트 성능 이상으로 픽셀을 그려낼 수 있다는 게 4K 렌더링이란 과업을 도와줄 수도 있다. 그리고 모든 게 디스플레이 해상도에 묶여야 하는 건 아니다. 백서는 또한 해상도와 더불어 레스터라이제이션 효율이 향상되었다고 밝히고 있는데, MS가 공개하는 흥미로운 수치는 1080p로 돌아가는 익명의 퍼스트파티 타이틀이 4K를 구현하는데 흔히 짐작되는 4배가 아니라 3.5배의 성능이 필요하다고 말하고 있다.
MS는 또한 효율을 향상시킬 수 있는 몇가지 테크닉을 제시하고 있는데, 이미지 품질에 심하게 영향을 주지 않으면서 해상도를 절반으로 낮추는 방법이나, '스파스(sparse)' 렌더링을 예로 삼고 있다. 절반해상도 기술은 이미 본 적이 있으며, GPU 부하가 심하게 걸리는 효과들의 사이즈를 줄임으로써 효율을 개선하여 풀해상도 프레임버퍼에 넣는 것이다.
"절반해상도 렌더링은 주로 반투명이나 스크린 공간 효과들, SSAO, SSR, 혹은 그림자 중첩이나 글로벌 일루미네이션, 중요하지 않은 자잘한 광원 등에 이용할 수 있습니다. 프로젝트 스콜피오에서 절반해상도 렌더링은 1080p로 그려진 뒤 4K로 업샘플 되는데, 엑박원에서 풀해상도로 구현되는 것과 동등하거나 더 낫습니다. 가령 엑박원에서 900p 전체 해상도로 이펙트가 그려진다면, 스콜피오에선 1080p로 구현하는 것이 절반해상도입니다."
한마디로 4K 프레임버퍼의 1080p 해상도의 절반인 효과들이 네이티브 900p보다 낫다는 얘기인데, 당연히 반박할 순 없을 것이다. 두번째 테크닉은 '스파스 렌더링'으로, PS4 프로 시대에는 체커보딩이라고 더 잘 알려진 기술이다. MS가 같은 테크닉을 지지했을 뿐만 아니라, 심지어 유비소프트가 레인보우식스 시즈에서 선보인 훌륭한 결과물도 예로 들고 있다. 마크 써니가 몇달 전 PS4 프로를 설명하면서 보여준 것과 완전히 같은 프레젠테이션을 인용하면서 말이다. 물론 테크닉은 그때 이후로 진보하고 있으며, 같은 기술이 PC와 PS4 프로 버전 와치독스2에 이용되었는데 훌륭한 결과를 보여주었다.
MS 백서는 퍼스트파티 1080p 게임이 네이티브 4K로 돌아간다고 묘사하고 있다.
우리의 추측은 포르자모터스포츠 엔진을 쓴 게임이라는 것이다.
우리의 추측은 포르자모터스포츠 엔진을 쓴 게임이라는 것이다.
MS는 또한 가변해상도 기술을 적극적으로 지지하고 있으며, "렌더타겟의 벡터가 같은 가상 주소 공간에 배치되면서 런타임이 GPU가 작업을 빨리 끝내는지, 지연되는지에 따라 해상도를 늘리고 줄일 수 있습니다. DiretX12 덕분에 PC, 엑스박스원, 엑스박스원S, 프로젝스 스콜피오에서 모두 구현할 수 있습니다."
이런 테크닉에 대한 심도깊은 논의로 볼 때, 스콜피오가 MS가 E3 2016에서 마케팅 한 것처럼 '트루 4K'는 아닌 것처럼 들린다. 하지만 실제 예시에서 적어도 한 1080p 퍼스파티 타이틀이 꽤나 쉽게 4K로 구현되었다고 말하고 있기도 하며(높은 확률로 이는 포르자 모터스포츠 엔진일 것이다.), GPU 자원이 언제나 정확한 픽셀 표현력의 척도가 아니라는 점도 사실이다.
물론 백서에서 거론도니 테크닉들은 PS4 프로에서 이미 실전을 거친 것들인 것도 사실이다. 라이즈 오브 툼레이더, 호라이즌 제로던, 데이즈 곤은 훌륭한 스파스/체커보드 렌더링으로 2160p를 구현했으며, 콜오브듀티 인피니트 워페어는 MS가 언급한 모든 기술을 저굥ㅇ하고 있다. 스콜피오의 추가적인 성능-그리고 출시될 즈음 개발자들의 경험 축적으로- 적어도 PS4 프로에서 본 것보단 적은 1440p 타이틀이 나올 건 확실하다.
하지만 백서에서 언급하지 않는 점들이 스콜피오가 더 많은 타이틀을 4K로 효과적으로 구동하는 비결일지도 모른다. 우리의 오리지널 스콜피오 스펙 분석에서, 우리는 6테라 플롭의 GPU은 56에서 60CU일 가능성이 높다고 보았으며, 그것이 주된 걱정거리였다. 이제 우리는 AMD의 차세대 베가 GPU가 클럭을 상당히 향상시켰다는 걸 알게 되었다. 덕분에 더 적은 CU를 빠르게 구동시켜서 6TF를 실현하는 게 가능하다. 겨우 40CU라도 1.18Ghz로 구동시키면 스콜피오가 약속한 6TF가 가능하며, 혹은 44CU@1.07Ghz도 가능하다. 거기다 베가가 타일베이스 레지스터를 이용한다는 점(엔비디아 맥스웰 아키텍쳐의 핵심 기술이라고 여겨지는)도 종래 예측보다 더 나은 성능을 가져다줄 수 있다.
분명히 말하자면 우리가 알고 있는 새로운 라데온 기술들이 MS가 사용할 수 있다는 걸 전제로 한 추측이다. 백서에서 본 바로는-스콜피오의 E3 공개 직후 날짜이다- 단지 ESRAM의 삭제와 L2 캐시의 증설, 메모리 압축 기술의 지원만 공식적으로 언급하고 있다. 그 외에는 MS가 이미 말했던 320GB/s의 대역폭, 8코어 CPU, 그리고 마더보드 렌더링으로보건데 12GB의 GDDR5가 강하게 추측된다는 것 정도이다. 최종 스펙이 어떻게 나올지는 두고 봐야겠지만, 백서의 디테일에 MS가 베가의 개선점을 이용할 수 있다면 우리는 상당한 성능의 4K 경쟁자를 보게 될 것이다.
덧글
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게임에 "플루이드 모션"을 쓴다는 말처럼 보이네요.
2. 해상도 올리는 데는 FLOPS보다 ROP 성능과 메모리 대역폭도 중요합니다. 연산 능력이 4.5배라는 건 강조하는데, ROP 성능과 대역폭에 대해선 별 말이 없군요.
3. 두번째 테크닉은 '스파스 렌더링'으로, PS4 프로 시대에는 체커보딩이라고 더 잘 알려진 기술이다. MS가 같은 테크닉을 지지했을 뿐만 아니라,
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소니나 MS가 만들었다기 보다는, AMD가 라데온에 넣은 걸 그냥 가져온 듯 합니다. 상식적으로, MS나 소니가 만들었으면, 상대방은 못 쓰게 할 겁니다.
4. 플스4프로 vs 스콜피오 실제 성능 차이가 GPU FLOPS 이상으로 크게 날 수 있겠습니다. 플스4프로는 폴라리스 바탕에 베가 기술이 조금 들어갔다면, 스콜피오는 나오는 때로 봐서 완성된 베가일 가능성이 높아 보입니다. 지금 예상으로 베가에는 여러 가지로 효율 높이는 기술이 들어갑니다.
5. 예수램이 없으면, 기존 엑박원 게임은 어떤 식으로 돌릴까요? 기존 게임에겐 GDDR5 일부가 예수램처럼 보일까요?
2. 대역폭이야 320GB/s이라고 해놨고 ROP는 베가 기반이면 PS4 프로보다 많을 겁니다. 48개 정도가 예상됩니다.
3. MS나 소니가 만든 것도 아니고 AMD가 만든 것도 아닙니다. 이미 개발자들이 기존 하드웨어에서 구현하고 논문들도 나온 걸 툴로 하기 쉽게 해주고 하드웨어가 더 쓰기 좋은 방향으로 되어간 것 뿐입니다.
4. 베가에 사용된 기술들을 볼 때 테라플롭 당 렌더링 성능은 엔비디아 맥스웰과 비슷하거나 높을 듯 합니다. PS4 프로가 폴라리스 정도 효율이라고 친다면 실제 성능차는 조금 더 나겠죠.
5. 내부적으로는 신작은 GDDR5 온리 모드가 따로 있을테고 패치가 안 되는 구작은 펌웨어 레벨에서 ESRAM을 에뮬레이션 하겠죠.
3. 라데온에 체커보드 렌더링을 쉽게 할 하드웨어를 넣었습니다. id버퍼라는 겁니다. 작동 방식을 보면, 외곽선 해상도만 올리고 내부 텍스처 등의 해상도는 그대로입니다. MSAA도 외곽선 알리아싱만 없애는 기술이긴 하지요. id버퍼 + 1080p 렌더링 + 8x MSAA 를 쓰면, 2160p + 2x MASS 와 비슷한 외곽선도 얻을 수 있을 겁니다.
PS4 프로의 4K 렌더링에 대해서
https://gigglehd.com/gg/game/511539
http://www.4gamer.net/games/990/G999024/20161108076/
4. 플스4프로는 폴라리스에는 없지만 베가에는 들어갈 기술 일부가 들어 있습니다. 시간을 봐도 폴라리스 - 플스4프로 - 베가 입니다. 이를 보면, 효율도 베가 > 플스4프로 > 폴라리스 일 겁니다.
3. ID 버퍼는 PC용 라데온에 없습니다. ID 버퍼는 체커보드 렌더링을 위해 소니의 의뢰로 AMD가 PS4 프로 한정으로 넣은 커스텀 기능입니다.
4. 베가 기술 일부가 들어갔다고 폴라리스보다 나은 효율일거라고 장담할 순 없습니다. 저는 아직 일부 추가기술 빼고 코어 아키텍쳐는 오히려 구세대 GCN이라고 생각합니다. 실제 프레임언락 된 게임의 벤치를 해보면 추가기능을 패치로 추가하지 않은 상태로 보면 코어 자체의 효율 향상은 전혀 없다는 걸 알 수 있습니다. GCN 코어 버전이 올라갔다면 더 올라갔어야 하는데도 말이죠.
3. 두번째 테크닉은 '스파스 렌더링'으로, PS4 프로 시대에는 체커보딩이라고 더 잘 알려진 기술이다. MS가 같은 테크닉을 지지했을 뿐만 아니라,
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스콜피오에도 체커보드 렌더링이 들어가는 걸 알 수 있습니다. 따라서 ID버퍼도 들어가겠고요. 이 정도면 소니가 요청했다기보다는 라데온에 원래 있는 기능일 겁니다.
4. 성능 향상이 전혀 없는 건 신기하군요. 하다 못해 메모리 대역폭과 ROP 압축 효율이 올라간 부분이라도 나타나야 하는데요.
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여기서 다른 점은 Z 버퍼와 별도로 ID 버퍼라는 특수 버퍼를 넣고, 여기에 오브젝트나 폴리곤에 대응하는 고유 ID를 출력합니다. 예를 들어 캐릭터 모델 ID가 100이라면 그 값에서 ID 버퍼에 해당 캐릭터 모델의 실루엣을 출력하는 식입니다. 이 ID 버퍼도 Z 버퍼처럼 픽셀 해상도의 4배인 4K 해상도가 됩니다.
렌더링할 때 이런 임의 값을 출력하는 버퍼로는 스텐실 버퍼가 잘 알려져 있으나, ID 버퍼는 용도가 전혀 다릅니다. 동작 자체는 스텐실 버퍼와 비슷하죠. 그러나 PS4 프로의 렌더링은 풀 HD 해상도의 픽셀 쉐이더에 조명과 그림자 처리를 실시, 4K 해상도의 Z 버퍼 및 ID 버퍼 렌더링까지 마치고 이 정보를 바탕으로 4K 해상도 영상으로 변환해 출력합니다. 이 변환 동작은 컴퓨팅 쉐이더에서 구현한 포스트 프로세스로, 픽쉘 쉐이더에서 구현할 순 없지만 픽셀과 Z, ID 버퍼에 액세스가 집중될 경우 각 버퍼의 데이터가 캐시를 채우기 쉬우니 컴퓨팅 쉐이더의 효율이 더 좋습니다.
스콜피오에 ID 버퍼가 들어갈 가능성은 반반 정도로 봅니다. 만약 성능이 낙관적으로 나온다면 특별히 부하가 심한 게임 외엔 체커보드 렌더링이 딱히 필요 없으니 PS4 프로만큼 절실하진 않습니다. 베가의 개선치를 제외하더라도 6TF면 PS4 프로가 1440p일 때 1800p는 무난하게 나와주니, 네이티브 4K는 아니라도 충분히 좋습니다. 물론 체커보드를 쓰면 더 화려하게 만들 수 있으니 개발자에겐 ID 버퍼가 있는 게 선택지 면에서 더 좋습니다.
체커보드 렌더링은 소니가 제시한 방법대로면 전체 픽셀의 1/2만 렌더링합니다. (물론, id버퍼+MSAA 조합으로 1/4, 1/6, 1/8, 1/12, 1/16 등도 가능해 보입니다만.) 따라서, 스콜피오가 스파스 렌더링을 안 쓴다면 GPU 성능은 플스4프로의 2배가 필요합니다. 하지만 알려진 바로는 2배가 안 됩니다. 설사 2배라고 해도, 이 성능을 더 화려한 화면에 쓰고 싶지, 소니의 꼼수를 정석으로 상대하느라 쓰고 싶지는 않을 겁니다.