[닥터몰라의 IT이야기]엔비디아의 승부수 ‘튜링’ 보기 2부①

[닥터몰라의 IT이야기] 엔비디아의 승부수 ‘튜링’ 보기

1부① ▶보기 / 1부② ▶보기 / 2부① ▶보기 / 2부② ▶보기[IT벤치마크팀 닥터몰라] 필자가 대학에 들어간 2007년은 컴퓨터의 역사에서는 정말 따분한 해였다. 2005년 봄의 G70 출시를 마지막으로 엔비디아는 만 2년째 아키텍처 업데이트가 없었다. 그러던 2007년 5월, ‘GeForce 8000(G80)’이 출시되었다.

지포스(GeForce) 8000

그래픽 처리장치의 역사가 현대 GPU의 개념을 제시한 GeForce 256 이전과 이후로 나뉜다면, 현대 GPU의 역사는 다시 G80이 최초로 도입한 통합 쉐이더(Unified shader) 이전과 이후로 영영 나뉘게 되었다. G80의 등장은 혁명적인 사건이었다.

2년여 전 출시된 게이밍 콘솔 PS3과 XBOX 360은 바로 다음 세대의 엔비디아 / ATi 양사 GPU에 지대한 영향을 미쳤다. 그것은, 새로운 시각효과 기술이 대두될 때마다 ‘전용 유닛’을 다음 세대 GPU에 탑재하는 것으로 대응하던 흐름을 ‘깡 컴퓨팅 성능’ 하나로 흡수하는 거대한 전환이었다. (이상은 1부 참조)

G80은 역사상 처음으로 ‘역할에 구분을 두지 않은’ 통합 쉐이더 또는 범용 쉐이더 구조를 채택한 칩으로 128개의 통합 쉐이더, 64개의 텍스처 유닛, 24개의 ROP를 탑재했다. 다만 NV30(GeForce FX)와 마찬가지로, 텍스처 어드레스 유닛과 텍스처 필터 유닛의 구성비가 2:1로 비동기되며 유효 텍스처 성능은 종전 32개분 만큼으로 제한되었다.

또한 G80은 쉐이더 및 텍스처 유닛 전체에 걸쳐 적용되는 별도의 클럭 도메인을 설정, 칩 내부의 다른 도메인 대비 2~2.5배 이상 고클럭으로 작동하게 함으로써 쉐이더 및 텍스처 성능을 극대화했다. 엔비디아는 이러한 쉐이더 및 텍스처 유닛 집합을 <텍스처 프로세싱 클러스터(TPC)>로 정의하며, 다시 TPC 내부에서 명령어를 발행하는 최소단위를 <스트리밍 멀티프로세서(SM)>로 명명했다. 오늘날까지 이어지는 GPU(-TPC)-SM 구조의 시작이다.

G80은 SM당 8개씩의 쉐이더(앞으로 ALU라는 표기와 혼용할 것이다)를 편성했으며 각각의 SM은 하나의 스케줄러로 명령어를 발행한다. 이러한 SM 두 개와 텍스처 유닛 8개가 TPC를 구성하는데, TPC는 온전한 ‘그래픽 처리’가 일어나는 최소한의 단위이다. G80은 이러한 TPC를 8개 탑재하고 있다.

G80의 ‘틱’에 해당하는 G92는 제조공정 미세화 이외에도 일부 유닛 구성비율이 재조정되었다. 128 ALU를 고수하되, G80의 약점인 텍스처 필터 유닛을 64개로 늘려 비로소 64개분의 텍스처 성능을 발휘할 수 있게 되었고, 반면 비대한 면적을 차지하던 ROP 및 메모리 인터페이스를 2/3로 축소해 16 ROP만을 남긴 것이다. 요약하면 텍스처 성능이 강화되었으나 ROP가 다운그레이드 되어, 의 GeForce 8800 GTX와의 동일 클럭 성능(IPC)은 도로 비슷해졌다. G92의 의의는 G80의 성능을 매우 저렴한 생산단가로 공급하는 데 있었다.

그러나 G80 세대의 ‘틱’은 여기서 끝난 게 아니었다. G80의 최초 등장 이후 1년만인 2008년 6월, 엔비디아는 그래픽 출력 기능 없는 순수 연산 가속기 를 출시하며, 그와 동명의 별명이 붙은 시리즈를 출시하게 된다.

G80. 닥터몰라 제공

GT200. 닥터몰라 제공

G80부터 GT200에 이르는 Tesla 세대는 통합 쉐이더 첫 세대로서 많은 특성을 공유한다. 세부 유닛 구성비율이 어떻게 변화하든 각 유닛 자체의 설계는 변화하지 않았다는 뜻이다. 그러나 GT200은 ‘할 수 있는 한도 내에서’ 최대한의 변화를 꾀한, ‘틱’과 ‘톡’의 중간 어디쯤에 해당하는 구조라고 보아도 좋다.

큰 틀에서, GT200과 G80/92의 차이는 GPU(-TPC)-SM으로의 계층 구조를 유지하되 TPC의 구성 방식이 변화한 데 있다. G80/92의 TPC가 2 SM을 탑재한 반면 GT200의 TPC는 3 SM탑재로 바뀌었으며, 이에 따라 ALU와 텍스처 유닛의 비율은 2:1->3:1로 ALU 비중이 높아졌다. Tesla 연산 가속기의 등장이 암시하듯 범용 GPU 컴퓨팅의 저변 확대에 따른 변화로 볼 수 있다. 또한 TPC 자체의 개수가 8->10개로 증가한 점, ROP 개수가 16개에서 32개로 확대된 점 등 변화는 결코 작지 않다.

페르미(Fermi)

Tesla 아키텍처의 상업적 성공 이후 바통을 넘겨받은 Fermi 아키텍처는 몇 가지 측면에서 NV30을 연상케 한다. Fermi GF100/110 기반의 , 시리즈는 GPU 전체 자원 중 연산 유닛의 비중을 늘리고, 특히 고정밀 과학 연구에 활용되는 64비트 부동소수점(FP64) 연산을 강화한 것이 특징이다.

Fermi 아키텍처는 종전의 GPU-TPC-SM으로 이어지는 계층 차상위에 하나의 층위를 신설, TPC 개념을 대체할 <그래픽 프로세싱 클러스터(GPC)>를 도입했다. 뿐만 아니라 종전의 ‘중앙집권형’ 래스터/지오메트리/폴리모프 엔진(이하 래스터 엔진 등으로 통칭)을 GPC마다 하나씩 배치하며 Fermi는 종전의 GPU 개념을 ‘멀티코어화’ 한 것에 가까워졌다. 래스터 엔진은 ROP가 처리할 래스터를 공급하는 역할로, 그 자체는 16 ROP에 대응하며 텍스처 어드레스 유닛-텍스처 필터 유닛 쌍이 1조를 이루듯 공급-처리의 균형이 중요시된다.

또한 SM 레벨에서는 명령어 스케줄러가 1->2개로 증가()했으며 ALU 역시 8->32개로 확장되었고, SM 내부에 4개의 텍스처 유닛을 탑재하게 되어 종전의 ‘TPC당 8개’와 비교해 구조 및 비율이 현저히 변화했다. 이러한 SM 4개가 하나의 GPC를 구성한다.

GPC 클러스터. 닥터몰라 제공

GF100/110 GPU는 4개의 GPC로 구성되고 다시 GPC당 하나씩의 래스터 엔진이 있으므로 클럭당 64개의 래스터를 공급할 수 있다. 다만 ROP 자체는 48개에 그쳐 유효 처리 수는 둘 중 작은 쪽인 48개에 맞춰진다. 대체로 래스터 엔진은 ROP 파이프라인을 유휴 상태로 두지 않기 위해 항상 넉넉잡아 설계되어 왔다. 다만 이 관례는 GeForce GTX 1070 / 1060, Quadro GP100 / GV100, GeForce RTX 2070 등 비교적 최근의 사례에서 깨어지는 추세이다.

종합적으로, GF100/110은 512:64:48의 유닛 구성비율을 갖는 거대 GPU로 GT200과 비교했을 때 ALU 개수가 113% 증가한 반면, ROP는 50% 증가에 그치고 텍스처 유닛은 오히려 20% 감소하는 등 밸런스가 크게 변화한 것이 특징이다. 특히 통상적인 FP32 연산 이외에 FP64 연산에 대응하도록 개편하며 연산 유닛에 투입된 총 트랜지스터 수 증가율은 200%를 뛰어넘는다.

1세대 Fermi의 약점은 여기에 있었다. 연산 성능이 증가한 것에 비해 게이밍 성능 향상폭은 그리 크지 않았고, 그러면서도 발열/소비전력/생산단가가 일제히 상승하는 삼중고가 겹친 것이다. 그러나 엔비디아는 놀랍게도 이들 문제를 같은 세대 내부에서의 아키텍처 혁신으로 해결했다.

GF104. 닥터몰라 제공

GF100 출시 반년 뒤 등장한 은 메인스트림 GPU로는 이례적으로 “2세대” Fermi(또는 Fermi Refresh)라 명명된 드문 사례이다. GF104/114의 SM은 스케줄러 및 텍스처 유닛 수가 GF100/110 대비 두 배 증가해 각각 2->4개, 4->8개가 되었다. 반면 SM당 ALU 개수는 32->48개로 1.5배 증가하는 데 그쳤다. 또한 게이밍 활용도가 떨어지는 FP64 연산 자원을 종전의 1/8 수준으로 삭감하는 등, 철저히 컴퓨팅보다 게이밍을 중시했다.

GF104/114의 GPC는 4개의 SM으로 구성(= 48x4 = 192 ALU)되며 GPU 전체는 2개의 GPC로 구성, 전체적으로는 384:64:32의 구성을 취하고 있다. GF100/110와 비교하면 ALU가 25%, ROP가 33% 감소했으나 스케줄러 및 텍스처 유닛의 개수는 같다. 전력 효율은 2배 가까이 향상되어 1세대 Fermi의 오명을 완벽히 씻었다.

이 시기 가시화된 엔비디아의 컴퓨팅/그래픽(게이밍) 아키텍처 분리는 이후 느슨하게 명맥을 이어, 격세대로 컴퓨팅-게이밍용 GPU 아키텍처를 특화시키다가(Kepler-Maxwell) 동일 아키텍처 내에서 최상위 GPU의 종류를 이원화하고(Pascal GP100 / GP102) 마침내 한 세대 내에서 아키텍처 자체를 이원화하는(Volta / Turing) 데까지 이른다.

▶2편에서 계속

▲닥터몰라 소개= 다양한 전공과 배경을 가진 운영진이 하드웨어를 논하는 공간이다. 부품부터 완제품에 이르는 폭 넓은 하드웨어를 벤치마크하는 팀이기도 하다. 데이터베이스를 구축해 이미 알려진 성능의 재확인을 넘어 기존 리뷰보다 한층 더 깊게 나아가 일반적으로 검출하기 어려운 환경에서의 숨은 성능까지 예측가능한 수리모델을 개발하고 있다.

필진으로 이대근 씨(KAIST 수리과학 전공)와 이진협 씨(성균관대학교 생명과학 및 컴퓨터공학 전공), 이주형 씨(백투더맥 리뷰 에디터/Shakr 필드 엔지니어) 등이 참여한다.