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 IGP과 연계해 자동으로 바뀌는 옵티머스 기술
엔비디아의 3세대 스위처블 그래픽 기술인 옵티머스는 토요타(Toyota)의 하이브리드 자동차 프리우스(Prius)에서 컨셉을 따왔다. 하이브리드 자동차는 휘발유 엔진과 전기 모터를 함께 사용하면서 주행 환경에 따라 이를 자동으로 전환하는 방식으로 운전자가 일일이 변환할 필요가 없다.
엔비디아 옵티머스도 1, 2세대 스위처블 그래픽처럼 수동으로 모드를 변환하지 않고 드라이버에서 자동으로 내장 그래픽와 외장 그래픽의 사용 유무를 판단해 적용하도록 개발되었다.
옵티머스 기술의 기본 구조를 보면 과거 내장 그래픽(IGP)와 외장 그래픽(GPU) 사이에 Mux를 두고 수동으로 동작할 GPU를 선택하도록 했던 2세대 스위처블 그래픽 기술과 달리 기본적인 출력은 내장 그래픽에 맡기고 GPU 연산이 필요한 부분에만 외장 그래픽이 간섭하는 구조로 바뀌었다. 내장 그래픽으로도 충분한 오피스와 웹 서핑 등의 환경에서는 외장 그래픽을 꺼서 전력 소모를 막고 내장 그래픽으로만 동작한다.
GPU에 부하가 많이 걸리는 게임이나 멀티미디어, GPU 컴퓨팅 등의 작업을 할 때는 외장 그래픽이 동작하지만 여전히 디스플레이 출력은 IGP를 통해 제공된다. 외장 그래픽 출력도 내장 그래픽을 통해 이뤄진다는 점에서 엔비디아 하이브리드 SLI 기술의 연장선이라고 볼 수 있다.
그러나 하이브리드 SLI가 엔비디아 내장 그래픽(mGPU)과 외장 그래픽의 조합만 가능했던 것과 달리 옵티머스 기술은 인텔 내장 그래픽과도 연동이 가능해졌으며, 기술적인 부분에서만 놓고 보면 AMD 내장 그래픽과의 조합도 가능하다.
엔비디아 옵티머스 기술의 구현 과정을 살펴보면 우선 외장 그래픽이 사용될 게임이나 3D 애플리케이션, OEM 애플리케이션, 기타 GPU 사용 프로그램을 수집해 프로필 정보를 엔비디아 웹 서버를 통해 온라인으로 업데이트 해준다.
옵티머스 기술을 지원하는 노트북에서는 이 프로필 정보를 바탕으로 실행하는 프로그램이 프로필에 없으면 내장 그래픽(IGP)으로, 포함되어 있으면 외장 그래픽 엔진을 사용해 렌더링 한 후 이를 IGP가 프레임 버퍼로 사용하는 시스템 메모리 영역으로 보내준다. IGP는 시스템 메모리에서 외장 GPU가 전달한 프레임 버퍼 데이터를 단순히 읽어들여 디스플레이 출력 인터페이스로 보내주는 역할만 담당한다.
쉽게 설명하자면 엔비디아 SLI 기술처럼 드라이버 프로필에 포함된 프로그램을 실행하면 외장 그래픽이 동작하면서 GPU 연산만 맡아서 실행하는 것이다. 단, SLI와 달리 옵티머스는 드라이버 업데이트가 아니라 온라인 옵티머스 프로필 업데이트를 통해 드라이버와는 별개로 외장 GPU가 필요한 프로그램을 보다 빠르게 지속적으로 제공할 수 있다.
옵티머스 기술 백서에 따르면 온라인 프로필을 통해 배포되거나 아직 등록되지 않은 프로그램도 엔비디아 드라이버의 컨트롤 패널에서 추가 등록하거나 동작 유무를 설정할 수 있는 기능이 들어가는 것으로 보인다. 스위처블 그래픽처럼 일반 사용자들은 드라이버 설정을 바꿀 정도의 지식이 없기 때문에 엔비디아에서 제공하는 프로필 업데이트를 사용하겠지만 파워 유저라면 직접 외장 GPU로 동작할 프로그램을 지정할 수 있다.
옵티머스 기술을 지원하는 엔비디아 GPU에 들어간 새로운 하드웨어 기능이 바로 옵티머스 카피 엔진(Optimus Copy Engine)이다.
이전 스위처블 그래픽 기술은 외장 그래픽에 사용되는 프레임 버퍼에서 3D 엔진을 거쳐 내장 그래픽이 프레임 버퍼로 사용하는 시스템 메모리에 데이터를 전송하는 방식이었다. 그러나 이 방식은 시스템 메모리로 전송이 완료될 때까지 3D 엔진의 렌더링을 막기 때문에 GPU 연산 효율이 떨어졌다.
옵티머스 카피 엔진은 PCI Express 버스의 양방향 대역폭을 이용해 3D 렌더링과 동시에 프레임 버퍼에서 데이터를 복사해 IGP의 프레임 버퍼로 사용하는 시스템 메모리 영역으로 전달한다. 3D 엔진은 프레임 버퍼 전송에 따른 블록이 생기지 않아 GPU 연산에 방해를 받지 않아 성능이 떨어질 걱정이 없다.
옵티머스 이전에는 외장 그래픽 사용시 IGP를 동작시키지 않았기 때문에 디스플레이 출력을 IGP와 별도로 구성하기 위해 양쪽 모두에 연결되는 Mux를 만들고 각각 별도로 연결되는 방식을 사용했다. Mux에 관련된 하드웨어 설계가 추가되면서 회로가 차지하는 공간이 발생할 뿐만 아니라 제조 비용이나 소비 전력도 올라갔다.
옵티머스는 Mux 대신 IGP 디스플레이 출력을 그대로 이용하기 때문에 외장 그래픽으로 동작하더라도 IGP는 계속 켜진 상태라 소비 전력이 IGP+dGPU가 된다. 그 대신 Mux에서 소비하던 전력이 사라지기 때문에 배터리 사용 시간이 더 짧아지거나 하는 문제는 없을 것으로 보인다.
엔비디아 옵티머스 기술을 지원하는 플랫폼은 CPU 안에 GPU 기능을 내장한 인텔의 아렌데일(Arrandale) 기반 모바일 코어 i7, i5, i3 프로세서와 인텔 GM45 내장 그래픽을 사용하던 펜린 계열, 그리고 파인 트레일 플랫폼으로 바뀐 Atom n4xx 시리즈 등이 있다.
이 가운데 인텔 아렌데일 프로세서와 파인트레일 아톰은 IGP를 CPU 안에 내장해 엔비디아의 내장 그래픽 메인보드 칩셋을 더 이상 사용할 수 없게 되었는데, 엔비디아는 사라진 내장 그래픽 시장 대신 인텔 IGP에 연계할 수 있는 외장 그래픽 솔루션을 제시하기 위해 옵티머스 기술을 발표한 것이다.
옵티머스 기술을 지원하는 엔비디아 모바일 GPU는 지포스 200M, 300M 시리즈와 앞으로 출시될 차세대 노트북용 지포스 시리즈가 포함되며, 차세대 아이온(ION) 그래픽 역시 옵티머스 기술을 지원하는 플래폼이 된다.
엔비디아 관계자에 따르면 옵티머스 기술 자체는 AMD 플랫폼에서도 구현 가능한 것이지만 인텔 플랫폼만 지원하는 이유는 기술적인 문제보다 전략적인 선택이라고 한다.
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