셰이더 코어 구조 - 소프트웨어 융합

셰이더 코어는 그래픽스를 실시간으로 렌더링하기 위한 매우 중요한 컴포넌트이다. 셰이더 코어는 벡터 연산, 텍스처 매핑, 조명 계산 등 다양한 그래픽 작업을 병렬로 처리하는데 최적화되어 있다. 셰이더 프로세서는 일반적으로 여러 개의 셰이더 코어로 구성되며, 이들 각각은 독립적으로 작동하지만 결합되어 강력한 연산 능력을 제공한다.

구성 요소

셰이더 코어의 주요 구성 요소는 다음과 같다:

레지스터 파일: 수많은 작은 데이터들을 임시로 저장하는 공간. 매번 메모리에 접근하는 대신 빠르게 데이터를 저장하고 읽을 수 있다.
ALU (Arithmetic Logic Unit): 산술 및 논리 연산을 수행하는 장치. 벡터 및 스칼라 연산을 포함하여 대규모 병렬 작업을 처리한다.
텍스처 유닛: 텍스처 매핑 연산을 위한 전용 유닛. 이 장치는 텍스처 메모리로부터 데이터를 읽고 인터폴레이션을 수행한다.
제어 유닛: 명령어를 해석하고 실행 흐름을 제어한다.

데이터 경로

셰이더 코어의 데이터 경로는 다양한 연산 유닛과 메모리 간의 데이터 이동을 최적화하기 위해 설계되어 있다.

$\begin{aligned} &\mathbf{Input} & \rightarrow & \ \mathbf{Register\ File} & \rightarrow & \ \mathbf{ALU} & \rightarrow & \ \mathbf{Output\ Register} & \rightarrow & \ \mathbf{Result}\\ &\mathbf{Texture\ Unit} & \rightarrow & \ \mathbf{ALU} & \rightarrow & \ \mathbf{Output\ Register} & \rightarrow & \ \mathbf{Result} \end{aligned}$

이 데이터 경로는 다양한 연산과 데이터를 신속하게 교환함으로써 고성능 그래픽 처리를 가능케 한다.

병렬 처리

셰이더 코어는 SIMD (Single Instruction, Multiple Data) 아키텍처를 사용하여 병렬 처리를 최적화한다. 이는 단일 명령어를 사용하여 여러 데이터 요소를 동시에 처리할 수 있게 해준다. 병렬 처리는 다음과 같은 여러 단계에서 수행된다:

벨트 인덱싱: 각 데이터 요소가 개별적으로 처리될 때 인덱스가 결합된다.
인터폴레이션: 다수의 텍셀을 병렬로 처리하여 질감(coord 텍스처)을 적용한다.
벡터 연산: 벡터 및 행렬 연산을 다수의 데이터 요소에 대해 병렬로 실행한다.

$\begin{aligned} \mathbf{C} & = \mathbf{A} + \mathbf{B}\\ C[i] & = A[i] + B[i] \quad \text{for} \quad i = 0, 1, \ldots, n-1 \end{aligned}$

이는 매우 고도로 최적화된 작업 모드로서 셰이더 코어의 성능을 극대화한다.

제어 흐름

제어 유닛은 셰이더 코어 내의 명령어 흐름을 관리한다. 명령어 파이프라인은 다음과 같은 단계로 구성된다:

명령어 fetch: 메모리에서 현재 명령어를 가져온다.
명령어 decode: 명령어를 해석하고 필요한 연산 및 데이터를 파악한다.
명령어 execute: ALU 또는 기타 연산 유닛에서 명령어를 실제로 수행한다.
결과 작성: 연산 결과를 레지스터 파일이나 출력 버퍼에 저장한다.

이러한 모든 단계는 순차적으로 실행되지 않으며, 각 단계는 병렬로 진행될 수 있다. 이는 파이프라인 성능을 최적화하여 명령어 처리의 효율성을 극대화한다.

파이프라인 구조

셰이더 코어의 파이프라인은 성능을 극대화하기 위해 단계별로 구성되어 있으며, 각 단계가 병렬로 실행될 수 있도록 설계되었다. 이것은 복잡한 그래픽 연산을 빠르게 처리할 수 있게 해준다.

파이프라인 단계

일반적인 셰이더 파이프라인 단계는 다음과 같다:

명령어 가져오기(Instruction Fetch): 명령어 캐시에서 명령어를 가져온다.
명령어 해석(Instruction Decode): 명령어를 해석하여 필요로 하는 연산과 데이터를 파악한다.
연산(Execute): ALU 또는 기타 연산 유닛에서 명령어를 실행한다.
데이터 접근(Memory Access): 필요시 메모리 또는 텍스처 유닛에서 데이터를 가져온다.
결과 작성(Write Back): 연산 결과를 레지스터 파일 또는 출력 버퍼에 저장한다.

이 모든 단계는 파이프라인을 통해 병렬로 처리되어 처리량을 증가시키고 대기 시간을 줄이다.

파이프라인 병목 현상

파이프라인 병목 현상은 특정 단계에서 처리 속도가 느려지거나 리소스가 부족해지는 경우 발생할 수 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 셰이더 코어는 다음과 같은 기술을 사용한다:

분기 예측(Branch Prediction): 조건문이나 분기가 발생할 때, 미리 결과를 예측하여 파이프라인을 유지한다.
명령어 레벨 병행성(Instruction-Level Parallelism): 동일한 명령어 집합에서 다수의 명령어를 동시에 실행한다.
고도로 병렬화된 ALU 구조: 여러 ALU가 동시에 작동하여 벡터 연산을 수행한다.

효율성 향상 기술

셰이더 코어는 여러 가지 기술을 사용하여 성능과 효율성을 향상시킨다. 그 중 일부는 다음과 같다:

벡터화(Vectorization): 데이터 요소를 벡터로 묶어 한 번에 여러 연산을 수행할 수 있게 한다.
루프 전개(Loop Unrolling): 반복되는 루프를 전개하여 불필요한 루프 제어 비용을 줄이다.
지연 슬롯(Delay Slot): 분기 후 지연 슬롯을 사용하여 분기 명령어의 지연을 줄이다.

셰이더 언어와 API

셰이더 프로그래밍 언어와 API는 셰이더 코드를 작성하고 실행하기 위해 필요하다. 대표적인 셰이더 언어로는 GLSL(OpenGL Shading Language), HLSL(High Level Shading Language), 그리고 최신의 SPIR-V 등이 있다.

GLSL

GLSL은 OpenGL을 위한 셰이더 언어이다. C 언어와 유사한 문법을 사용하며, 정점 셰이더와 프래그먼트 셰이더를 작성하는 데 사용된다.

예제:

#version 330 core
layout(location = 0) in vec3 position;
layout(location = 1) in vec3 normal;

out vec3 fragColor;

uniform mat4 model;
uniform mat4 view;
uniform mat4 projection;

void main()
{
    gl_Position = projection * view * model * vec4(position, 1.0);
    fragColor = normal;
}

HLSL

HLSL은 DirectX를 위한 셰이더 언어로, 마이크로소프트에서 개발하였다. 또한 C 언어와 유사한 문법을 사용한다.

예제:

cbuffer ConstantBuffer : register(b0)
{
    float4x4 model;
    float4x4 view;
    float4x4 projection;
}

struct VS_INPUT
{
    float3 position : POSITION;
    float3 normal : NORMAL;
};

struct PS_INPUT
{
    float4 position : SV_POSITION;
    float3 normal : NORMAL;
};

PS_INPUT main(VS_INPUT input)
{
    PS_INPUT output;
    output.position = mul(mul(mul(float4(input.position, 1.0), model), view), projection);
    output.normal = input.normal;
    return output;
}

SPIR-V

SPIR-V는 Vulkan을 위한 중간 언어로, 컴파일된 셰이더 코드를 표현할 수 있다. 이진 형식으로 저장되며, 다양한 셰이더 언어로부터 컴파일될 수 있다.

셰이더 언어와 API는 그래픽 애플리케이션 개발의 핵심 요소로, 각각의 목적과 필요에 따라 선택해서 사용할 수 있다.