2014년 GTC에서 공식 발표된 이래 2년만에 테슬라 P100으로 풀칩 GP100의
모습을 드러낸 NVIDIA 파스칼의 게이머용 그래픽 카드 라인업인 지포스 GTX 1080이 공식 출시되었다.
이미 테슬라 P100의 공개와 5월 7일 새벽 개최된 에디터스 데이(Editor's
Day) 행사로 기본적인 내용이 공개된 만큼 이번 기사에서는 조금 더 전문적인 내용을 다뤄보도록 하겠다.
파스칼 GP104, 맥스웰 GM104 기반 효율 최적화 설계
파스칼 GP104의 SM(좌) / 맥스웰 GM104의 SMM(우)
맥스웰 아키텍처 기반의 GM104와 파스칼 아키텍처 기반의 GP104 구조는 근본적으로
크게 변화된 점은 없는데, 파스칼 GP104의 SM 구조를 살펴보면 맥스웰 GM104의 SMM에 통합된 폴리모프 엔진이
별도로 분리된 것을 제외하면 SM당 128 쿠다 코어와 8개의 텍스처 유닛으로 구성되어 있다.
전체 GPU 구성으로는 28nm에서 16nm FinFET 미세 공정영향으로 다이크기는
398 mm²에서 314 mm²으로 21% 감소되었음에도 트랜지스터는 52억에서 72억으로 38.6% 증대, 면적당
집적도가 약 75.6% 개선되었다.
파스칼 GP104는 미세공정에 힘입어 보다 좁은 다이크기에 더 많은 SM을 구현할 수
있었는데, 맥스웰 GM104가 16개의 SM(2048CUDA Core/ 128TMUs) 구성인 것과 달리 파스칼
GP104는 20SM(2560CUDA Core/ 160TMUs)로 구성되었다.
GP104의 GPU 구성 자체는 GM104과 크게 변한 점이 없는데, 동일한 4GPC
구성에 64ROPs, 2048KB L2 캐시를 갖추고 있지만, GM104에서는 GPC당 16ROPs 구성인 것과 달리
효율을 높이기 위해 8ROPs x2 구조로 설계되었으며, 32bit 메모리 컨트롤러 8개를 기반으로 256bit 메모리
인터페이스를 지원한다.
한편, 파스칼에서는 폴리모프 엔진에 지포스 GTX 1080의 VR 성능 개선의 핵심 기능인
Simultaneous Multi-Projection 유닛이 포함되는데, 관련 내용은 기사 후반부에 따로 다루도록 하겠다.
VR 대응 위한 GDDR5X 메모리와 향상된 압축 기술 지원
파스칼 기반 지포스 GTX 1080의 주요 특징은 8,000MHz가 한계 속도로 평가받고
있는 GDDR5 메모리 대신, 최대 두 배 메모리 대역폭 구현이 가능한 GDDR5X 메모리를 처음으로 도입한 것을 들 수
있다.
256bit 메모리 인터페이스 기반의 GP104와 GDDR5 메모리를 조합할 경우 최대
256GB/s의 대역폭을 제공할 수 있지만, GDDR5X 메모리의 경우 최대 512GB/s의 메모리 대역폭 구현이
가능한데, 지포스 GTX 1080에 탑재된 GDDR5X 메모리는 이제 막 양산이 시작된만큼 규격상 최대 성능에 조금 부족한
10,000MHz 속도로 동작해 320GB/s의 대역폭을 구현하고 있다.
이것만으로도 전세대 동일 라인업 모델인 지포스 GTX 980의 224GB/s보다 약
43% 높은 대역폭을 제공하며, 여기에 새롭게 개발된 델타 압축 알고리즘을 활용해 기존 2:1 압축 효율을 강화 및 새로운
4:1 압축 및 8:1 압축 기술을 통해 L2 캐시를 전세대 맥스웰 수준으로 유지하면서 효율을 높였다.
NVIDIA는 새로운 압축 알고리즘을 통해 약 20% 수준의 메모리 대역폭을 추가 확보할
수 있다고 주장하고 있는데, GDDR5X 메모리 도입을 통해 확보한 물리적 메모리 대역폭과 새로운 압축 기술을 통한 추가
메모리 대역폭으로, 지포스 GTX 1080의 실제 메모리 대역폭 효율은 지포스 GTX 980 대비 약 70% 높은 것으로
소개되고 있다.
약점 개선, 다이나믹 로드 밸런싱/ 비동기 컴퓨트
NVIDIA의 맥스웰이 지적받던 문제점 중 하나는 바로 DX12의 핵심 기능 중 하나인
비동기 쉐이더 지원이 부족하다는 점이었는데, 파스칼에서는 이에 대응하기 위해 다이나믹 로드 밸런싱(Dynamic Load
Balancing) 기술과 비동기 컴퓨트(Async Compute) 기술이 투입되었다.
최근 게임은 점차 복잡한 연산을 필요로 하고 있으며, GPU 역시 단순 그래픽 랜더링 뿐
아니라 물리 연산 및 오디오 프로세싱 작업도 담당하도록 발전하고 있는데, 파스칼에 도입된 다이나믹 로드 밸런싱은 그래픽
작업과 컴퓨트 작업을 중심으로 GPU의 아이들 상태를 최소화 하도록 작업 부하를 자동 조절, 성능을 끌어낸다.
어렵다면 버텍스 쉐이더와 픽셀 쉐이더로 별도 제어되던 쉐이더가 DX10에서 통합 쉐이더를
도입해 상황에 따라 쉐이더의 역할이 바꿔가며 효율을 높인 것을 떠올리면 이해가 쉬울 것이다.
비동기 컴퓨트 기술은 연산 작업을 비동기 식으로, 혹은 그래픽 랜더링 작업과 동시에
스케줄링하여 GPU의 아이들 상태를 최소화해 주며, 특히 DX12와 벌칸 등의 멀티 쓰레드 작업이 중요시되는 로우레벨
API등과 조합될 때 그 중요성이 높은 기술이다.
NVIDIA가 파스칼에 도입한 비동기 컴퓨트 기술은 픽셀 레벨의 그래픽 우선권과 쓰레드
레벨에서 컴퓨트 우선권 전환이 100㎲ 이하의 시간내에 진행되어 기존 방식의 스위칭 지연을 개선할 수 있어 물리 연산과 그래픽 후처리, VR 전송을 위한
레이턴시 개선등 게이밍 경험 개선이 가능해진다.
VR 성능 개선을 위한 핵심, Simultaneous
Multi-Projection(SMP) 엔진
지난 기사에서도 언급했지만 지포스 GTX 1080의 VR 성능은 맥스웰 기반 플래그십
모델인 지포스 GTX TITAN X의 두 배에 달하는 것으로 소개되고 있는데, 여기에는 개선된 아키텍처와 공정외에도
폴리모프 엔진에 통합된 SMP 엔진이 한 몫하고 있다.
미리 설정된 최대 16개의 프로젝션을 기반의 지오메트리 연산을 처리능력을 갖춘
SMP엔진은
프로젝션의 중앙(뷰포인트)를 공유, 최대 2개의 다른 프로젝션 센터 설정이 가능하다. 이들 프로젝션은 각각 독립적으로 회전
및 타일형등의 후처리가 가능하므로 성능 저하없이 최대 32개의 지오메트리 복제가 가능하며, 결과적으로 전세대 맥스웰 대비
Multo-Res 대비 140%, 150% 수준의 VR 성능을 제공한다.
이는 기존의 단순 평면형 모니터 뿐 아니라 VR이나 서라운드 모니터, 커브드 모니터 및
AR등 다양한 방식의 디스플레이에 성능 저하없이 최적화된 화면을 표시해주는데 유용한 기능이다.
예를 들어 기존에는 단순히 평면 모니터를 서라운드 방식으로 배치할 경우 단순히 이미지를
휘어 표시하기 때문에 사용자 입장에서는 어긋난 느낌을 받게 되지만, SMP 엔진을 이용하면 이러한 왜곡을 보정하는데
필요한 성능 요구량을 최소화할 수 있다.
SMP를 이용한 기능이 바로 지난 NVIDIA Editor's Day에서 소개된
Lens Matched Shading 기능과 Single Pass Stereo 기능으로, 전자는 렌즈의 왜곡을 계산해
보이지 않는 부분을 렌더링에서 제외해 픽셀 작업 부하를 개선하고, 후자는 VR 랜더링 시 지오메트리 연산을 한 번만 해서 서로 다른 부분을
보여주므로써 지오메트리 작업 부하를 절반으로 감소 시켜준다.
파스칼을 위한 고대역폭 SLI 브릿지
지포스 GTX 1080 공개와 함께 주목받는 것이 있으니 바로 새롭게 등장한 SLI HB
브릿지다. 메인보드/ 그래픽 카드 제조사에서 선보이던 커스텀 모델과 같이 생김새가 특이한 것 외에도 해당 브릿지의
특이점이라면 파스칼을 위해 특별히 설계된 점일 것이다.
NVIDIA에 따르면 지포스 GTX 1080의 SLI 인터페이스는 기존 400MHz에서
650MHz로 동작 클럭이 높아졌으며, 이를 100% 활용하기 위해서는 SLI HD 브릿지가 필요하다. 물론 기존 SLI
브릿지도 사용할 수 있으나 이 경우 400MHz로 동작하기 때문에 파스칼의 늘어난 SLI 인터페이스 대역폭 활용이
제한된다.
SLI HD 브릿지(파란색) / SLI
Old 브릿지(검은색)의 프레임타임
NVIDIA의 테스트에 따르면 SLI 브릿지에 따른 성능 차이는 크지 않지만, 구형
SLI 브릿지를 사용할 경우 순간적인 스터터링 발생 빈도가 높아지는 것을 알 수 있다.
한편, 새로운 SLI HD 브릿지는 길이별로 세 종류의 제품이 있지만 모두
2way SLI만을 지원하는데, 이는 3/ 4way SLI의 효율과 게임 설계등의 문제로 더 이상 권장하지 않기
때문이지만, 그렇다고 파스칼 지포스 GTX 1080의 3/ 4way SLI 구성이 불가능한 것은 아니다.
단지 3way 이상의 SLI 구성을 위해서는 NVIDIA 웹사이트에 접속해
'Enthusiast Key'를 다운받아야 하고, 구형 SLI 브릿지를 사용하는 귀찮은 작업이 필요한데, 자세한 절차는
제품 출시 후 공개될 예정이다.
어디서나 최고의 클럭을, GPU Boost 3.0
지포스 600 시리즈부터 지원해온 GPU 부스트는 부하와 온도, 소비전력 등을 고려해
GPU 클럭을 자동으로 오버해주는 기능으로 관심을 받아왔지만 그동안은 고정된 오프셋을 기준으로 동작하기에 GPU의 성능
잠재력을 끌어내는데 조금은 부족한 모습을 보였다.
이번 파스칼에서 업데이트된 GPU Boost 3.0은 가변 오프셋을 채택해 낮은
전압에서도 이론상 가능한 최대 클럭에 가깝게 부스크 클럭을 끌어올릴 수 있어 그래픽 카드의 잠재력 활용에 유용하다.
이를 위해 그래픽 카드 제조사에서 제공하는 오버클럭 유틸리티에 새로운 기능이 추가될
예정임을 알렸는데, 사용자가 클럭 한계치를 탐지하기 어려운 점을 감안해 전압에 따른 클럭 한계를 자동 감지, 설정할 것으로
예상된다.
티어링 없이 레이턴시 유지, Super Fast FSP 게임을 위한 Fast Sync
지포스 GTX 1080에 새로운 기술 중 하나인 Fast Sync는 V-sync On/
Off의 장점만을 더한 기술로, V-sync는 모니터 주사율과 성능을 동기화 시키기 때문에 흐름 제어가 필요하며 인풋
레이턴시가 발생한다. 반면 화면 찢어짐(티어링)이 발생하지 않으며, V-Sync를 끌 경우 흐름제어가 필요없고 그래픽 카드
성능을 가능한 한도까지 끌어내므로 인풋 레이턴시가 낮지만, 주사율 차이로 인한 화면 찢어짐이 발생한다.
Fast Sync는 렌더링 단계를 프레임 버퍼 및 디스플레이 단계와 분리, 그래픽 카드의
성능을 완전히 활용함에 따라 별도의 흐름제어가 필요없어 인풋 레이턴시를 낮추는 동시에 화면에 표시되는 렌더링 화면을 적절히
선택해 티어링을 없애준다.
이를 위해 Fast Sync는 총 세 단계의 프레임 버퍼를 활용하는데, 프론트
버퍼(FB)는 화면에 표시될 완전히 렌더링된 화면이, 백 버퍼(BB)는 현재 랜더링 중인 화면의 내용이 저장되며, 라스트
랜더드 버퍼(LRB)는 BB의 내용을 백업하게된다.
구체적으로 FB의 내용이 표시되는 동시에 BB의 랜더링 진행, 내용이 완성되면 BB는
LRB로, LRB는 BB로 바뀌는 방식으로 내용의 갱신이 계속되고, FB의 내용 표시가 완료되면 LRB가 FB로 바뀌어
내용을 이어서 표시하는 방식으로 동작한다.
즉, 내부적으로 그래픽 카드는 별도의 성능 제어없이 계속 랜더링을 진행하므로 레이턴시가
V-Sync Off일 때와 비슷한 수준으로 유지되며, 디스플레이 단계에서 플립 로직을 더해 디스플레이 주사율과 맞춰 적절한
순간에 화면을 교체해 주므로 V-Sync와 동일한 효과를 기대할 수 있다.
NVIDIA의 자료에 따르면 Fast Sync는 V-Sync Off일 때와 비교해
증가하는 레이턴시가 8ms 이하이며, 해당 기능은 모니터 주사율보다 게임 성능이 월등히 빠른 고전 게임들과, 지싱크는
디스플레이 주사율보다 성능이 낮은 최신 고사양 게임들과 좋은 궁합을 보일 것으로 판단된다.
최신 HDR 환경 대응, MS 플레이레디 3.0과 최신 코덱 HW 가속 지원
VR과 함께 NVIDIA가 파스칼에 공들인 부분은 4K 디스플레이/ 게이밍과 함께
주목받고 있는 HDR이다. 파스칼 지포스 GTX 1080은 초고해상도 컨텐츠 보호를 위한 MS의 PlayReady
3.0(SL3000) 규격을 만족하고, 넥플릭스등의 스트리밍 업체가 제공하는 HDR 컨텐츠의 가속을 지원하기 위해 코덱
지원이 강화되었다.
맥스웰 지포스 GTX 980에서 지원하던 12bit 색상과 , BT.2020 색역,
SMPTE 2084, 4K HDR을 위한 HDMI 2.0b 10/12bit에 더해, HDR 비디오를 위한 4K@60Hz
10bit/12bit HEVC 디코드, HDR 레코딩 및 스트리밍을 위한 4K@60Hz 10bit HEVC 인코드를
지원한다
디코드 분야에서는 최대 4K@120Hz(8K@30Hz)해상도와 320Mbps 대역폭을
지원해 8K에서도 부분적으로 대응할 수 있을 것으로 판단되며, DisplayPort 기반 HDR 디스플레이 연결을 위한
DisPlay 1.4-Ready HDR 메타데이터 전송을 지원한다.
또한 HDR 게이밍에 대응하도록 전용 API와 톤 맵핑 알고리즘도 제공하는데, 엔비디아가
밝힌 HDR 대응 게임은 Obduction, The Witness, Lawbreakers, Rise of the Tomb
raider, Paragon, The Talos Principle, Shadow Warrior2가 있다.
파스칼과 쉴드에 내장된 HEVC 10bit 인코드/ 디코드 기능을 이용한 HDR
게임스트림도 가능한데, 이를 위해서는 차후 게임과 쉴드의 업데이트가 필요한 상황이다.
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