엔비디아 (NVIDIA)는 지난 2012년 페르미 (Fermi) 아키텍처에서 시도해온 게임 성능의 향상과 동시에 그동안 지적되어온 전력 효율 문제를 개선한 케플러 (Kepler) 아키텍처를 발표했다.
케플러 아키텍처는 페르미의 장점을 이어가면서 GPGPU 연산과 효율을 다소 희생하는 대신 GPGPU 유연성은 증가시키고 데스크탑 환경을 고려해 게임 성능 향상에 보다 집중하면서 전력 효율도 크게 개선했다.
그밖에도 DirectX 11.1과 PCI-Express 3.0, 어댑티브 V-Sync, FXAA와 TXAA의 새로운 AA, 3+1 모니터 지원의 디스플레이 확장, GPU 속도를 다이내믹하게 조절해 자동으로 클럭을 향상해 성능을 개선하는 GPU 부스트 (GPU Boost), 4K 해상도 (UHD, 3840x2160)와 H.264 하드웨어 비디오 인코더인 NVENC를 탑재해 전력 소비는 낮추고 인코딩 성능은 4배를 개선하는 등 다양한 지원 기술도 제공해 페르미와는 다른 방향성을 제시했다.
효율적인 아키텍처, 엔비디아 차세대 맥스웰 (Maxwell)
지포스 GX 750 시리즈를 시작으로 새롭게 발표한 엔비디아 맥스웰 (Maxwell) 아키텍처는 케플러와는 또다른 방향을 제시하는 아키텍처로 그동안의 케플러와 마찬가지로 게임 성능 향상에 더해 특히 최근 시장의 트렌드인 전력 효율을 높이는데 중점을 두고 있다. 엔비디아는 이에 맥스웰 아키텍처를 효율 높은 GPU 아키텍처로 설명하고 있다.
효율 높은 GPU 아키텍처, 맥스웰
게임 향상과 전력 효율에 집중한 케플러
일반적으로 아키텍처를 개선하는 방법은 기존 구조에서 더 많은 실행 유닛을 늘리거나 이를 제어하는 유닛을 효율적으로 재배치, 최적화를 이용하는 방법과 처음부터 새롭게 설계를 하는 방법으로 나눌 수 있다.
페르미 아키텍처는 엔비디아가 기존까지 사용해온 아키텍처를 새롭게 바꾼 아키텍처로 쿠다 코어 증가와 효율적인 제어 유닛과 최적화를 통해 게임 성능과 GPGPU 처리 성능을 모두 개선했다. 케플러 아키텍처는 페르미 아키텍처를 기본 토대로 게임 성능 향상, 전력 효율 최적화에 중점을 둔 아키텍처다. 이를 통해 경쟁사 대비 높은 성능과 전력 효율로 시장에서 인기있는 아키텍처였다.
맥스웰 아키텍처 역시 기본적인 토대는 페르미와 케플러로 이어지는 아키텍처의 장점을 이어받으면서 현재 시장의 트렌드인 전력 효율을 개선하고 제어 유닛과 쿠다 코어의 재배치와 최적화로 게임 성능 향상, 그리고 전력 효율을 다시 한번 향상했다.
쿠다 코어와 제어 유닛의 재배치는 쿠다 코어의 효율과 활용성을 높였고 비대해진 기존 케플러 아키텍처의 낭비되는 전력을 개선할 수 있게 되었으며 이것이 28nm 공정을 유지하면서도 성능과 전력 효율을 향상할 수 있게 만든 주요 요인이다.
게임 성능 향상은 기본, 전력 효율 최적화
페르미 기반 하이엔드 지포스 GTX 480에 근접한 지포스 GTX 750 Ti
엔비디아는 페르미와 케플러 아키텍처를 거치면서 쿠다 코어 (CUDA Cores)와 텍스처 유닛, ROPs 등과 같은 양적인 향상을 통해 기본적인 게임 성능을 향상해왔다. 맥스웰 아키텍처는 전반의 효율을 높인 아키텍처로 소개되는 만큼 기본적으로 게임 성능 향상도 빼놓지 않았다.
맥스웰 아키텍처로 처음 발표한 지포스 GTX 750/ 750 Ti는 쿠다 코어와 이를 제어하는 유닛을 재배치하면서 기본적인 성능 향상을 꾀했다. 지포스 GTX 750 시리즈에 탑재한 GM107 코어는 최대 5개의 SMM (Maxwell Streaming Multiprocessors) 구조를 통해 총 640 쿠다 코어를 탑재한다.
GM107 (GTX 750 Ti)은 GK107 (GTX 650) 대비 텍스처 성능은 25% 개선하고 1.7배 이상의 쿠다 코어 탑재로 쉐이더 퍼포먼스는 약 2.3배를 향상했다. 이를 통해 지포스 GTX 750 Ti는 페르미 아키텍처로 하이엔드 시장을 이끌었던 지포스 GTX 480에 상단 부분 접근하는 성능을 제공한다.
페르미 아키텍처 이후 4년 동안 4배의 전력 효율 향상
전력 소모는 TDP 250W (GTX 480)의 1/4 정도인 60W로 줄어 전력 효율 역시 크게 증가했다. 일반적으로 트랜지스터나 쿠다 코어 수 증가는 전력 소비 증가로 이어지나 GK107 (GTX 650)의 64W보다 4W 더 낮은데 이는 L2 캐쉬 사용량 조절과 쿠다 코어 수 조절과 트랜지스터 레벨의 전력 효율 최적화를 통해 전력 소비를 억제한 것으로 알려졌다. (GTX 550 Ti 116W, GTX 650 Ti 110W, GTX 750 Ti 60W)
쿠다 코어 활용성 향상을 위한 재배치
케플러 아키텍처는 CPU와 GPU를 고려해 설계된 페르미 아키텍처의 비대해진 불필요한 유닛을 다이어트해 낭비되는 부분을 줄이고 게임용에 보다 적합하도록 전환했다. 이를 통해 트랜지스터 당 성능 효율을 개선했으며 쿠다 코어의 와트당 성능비를 최대 2배 이상 향상했다.
맥스웰 아키텍처도 케플러 아키텍처의 구조를 재배치했는데 케플러 아키텍처의 기본 구조인 SMX를 SMM으로 전환했다. 여기에는 기본적으로 실질적인 실행 유닛인 쿠다 코어가 위치하며 이를 제어하는 각종 컨트롤 로직도 포함된다.
1세대 맥스웰 아키텍처
케플러는 GPU 제어 컨트롤 로직 하나에 192 쿠다 코어 구조였으나 맥스웰은 쿠다 코어의 수를 줄이는 대신 쿠다 코어 효율과 활용성 향상에 집중했다. 32개 쿠다 코어와 컨트롤 로직 1개를 SMM에 4개 배치해 총 128 쿠다 코어와 컨틀롤 로직 4개를 하나의 처리 단위로 묶었다.
이에 따라 맥스웰의 SMM은 케플러의 SMX보다 더 작은 면적에 더 많은 유닛 탑재가 가능하며 쿠다코어는 약 90% 성능 (SMX의 192 쿠다 코어 기준)을 발휘한다고 소개했다. 이를 통해 SMX 대비 코어 당 성능은 35%, 와트 당 성능도 2배 향상이 이루어졌다고 밝혔다. 경량화와 세분화로 작업의 효율성과 활용도는 높아지고 멀티스레드 작업 최적화와 그에 따른 전력 최적화로 전력 효율도 함께 향상됐다.
스케쥴링 방식은 케플러와 같이 하드웨어의 복잡성을 낮추고 드라이버와 CPU 의존도를 높이는 방향이다. 현재 CPU는 쿼드 코어가 보급되고 있어 CPU로 인한 병목현상은 크게 우려되지 않는다.
제어 유닛의 증가와 효율화, 테셀레이션 향상
맥스웰 SMM (좌)/ 케플러 SMX (우)
엔비디아는 페르미 아키텍처를 통해 DirectX 11과 테셀레이션 (Tessellatioin) 전환을 역설해 왔고 다이 사이즈 증대와 전력의 비효율성을 가져왔다. 케플러는 이러한 구조를 개선해 다이 사이즈 최적화와 효율을 개선했다.
케플러에 이어 맥스웰도 이러한 작업이 이루어졌으며 업그레이드로 전반의 효율을 개선한 폴리모프 엔진 (PloyMorhp Engine) 2.0과 래스터 엔진을 탑재하며 제어 유닛은 SMM 구조로 교체되면서 더 늘어났다. 케플러는 4GPC에 4개의 Raster와 ROP를 1:1로 균형적으로 배치해 처리 효율을 개선했다.
맥스웰은 GPC 1개가 총 5개의 SMM을 구성하고 1개의 래스터 엔진을 공유하며 늘어난 텍스처와 ROP의 작업을 효율화한다. 기존 케플러를 보다 세분화한 맥스웰의 구조는 텍스처 처리를 비롯한 SMM의 늘어난 유닛을 효과적으로 제어하기 위한 변화이다. GK104 (GTX 680)는 1GPC에 2 SMX, GK110 (GTX 780 Ti)은 1GPC에 3 SMX를 탑재해 맥스웰이 GPC 당 더 많은 SM (Streaming Multiprocessor)을 탑재한다.
여기에 L1 캐쉬에 텍스처 캐쉬 기능을 통합하고 64KB 캐쉬 공간을 공유하도록 개선했다. SMX 당 4개의 Warp Scheduler, 8개의 디스패치 유닛은 SMM에서 1개의 Warp Scheduler과 2개의 디스패치 유닛으로 분할, 256KB 레지스터 파일도 4개로 분할해 64KB로 나뉜다. 케플러는 6개의 쿠다 코어에 각 한 개의 로드/스토어 유닛과 SFU 조합으로 쿠다 코어 효율이 떨어졌는데 맥스웰은 4개의 쿠다 코어에 각 한 개의 로드/스토어 유닛과 SFU 조합으로 변경하면서 이를 개선했다.
또 맥스웰은 1GPC 내에 5개의 폴리모프 엔진 2.0이 탑재되어 테셀레이터도 케플러 1GPC가 2개 또는 3개인데 반해 2-3개 더 늘어난 5개가 탑재되어 테셀레이션 처리도 향상했다.
동일 면적에 더 많은 쿠다 탑재, GPGPU보다 게이밍에 집중
맥스웰의 SMM은 케플러 SMX의 효율화가 이루어진 형태로 전체 GPC (Graphics Processing Cluster) 구조는 하이엔드로 출시된 케플러 지포스 GTX 680 (GK104)의 4개 또는 GTX 780 Ti (GK110)의 5개로 확장 가능해 보인다.
지포스 GTX 750 시리즈는 1GPC 구조로 먼저 출시된 만큼 기존 구조를 유지한다면 맥스웰 하이엔드 버전은 4GPC로 최대 2560 쿠다 코어 (GK104 대비 약 67% 증가)를 제공할 것으로 보인다. 케플러 GK104는 1GPC에 384 쿠다 코어, 4GPC로 최대 1536 쿠다 코어, GK110은 풀스펙으로 2880 쿠다 코어를 제공했다.
스레드 재분배와 관리를 통해 효율적인 연산을 가능하게 해주는 기가스레드 엔진 (Giga Thread Engines)을 이용하며 케플러와 같이 맥스웰 쿠다 코어는 정수와 부동소수점 연산 구조로 CPU와 유사하며 SFU (Special Function Units)도 기존과 같은 연산을 수행한다.
28nm 공정 기반 GM107 (지포스 GTX 750 Ti 블록다이어그램)
페르미는 그래픽연산을 위한 FP32와 GPGPU 연산을 위한 FP64를 모두 고려했으나 케플러는 그래픽 연산에 중요한 단정밀도 (FP32)에 보다 집중했다. 페르미는 FP64를 1/4, 케플러는 배정밀도 (FP64) 연산 가능 유닛을 8개 추가해 FP64는 1/ 24로 감소했다. 이로 인해 GPGPU 연산 능력은 낮아진 대신 전력 소모는 개선되었는데 맥스웰은 케플러의 1/ 24보다 감소한 1/ 32를 제공해 게임 향상에 더 집중했다. 물론 기존처럼 일반용은 케플러와 같이 게임에 집중 (FP32), 배정도 연산을 향상한 지포스 GTX TITAN과 같은 제품의 등장도 예상된다.
DX11.2와 PCI-Express 3.0 (2.0의 2배인 양방향 32GB/s 대역폭), GPU로 가속하는 PhysX, GPGPU 기술인 쿠다 (CUDA)와 다이렉트 컴퓨트 (DirectCompute), 공개표준인 OpenCL, Microsoft C++ AMP도 지원한다.
다이 사이즈 최적화, L2 캐쉬 대용량화로 CPU화에 더 다가가
케플러와 맥스웰 아키텍처는 28nm 공정을 공통적으로 적용하고 있지만 맥스웰 아키텍처는 쿠다 코어와 유닛 재배치를 통해 구조의 효율화를 꾀하고 있으며 이를 통해 같은 다이 사이즈에 더 많은 쿠다 코어를 탑재 가능하며 면적은 더 작아진 것으로 소개되었다.
실제로 지포스 GTX 650 (GK107)과 지포스 GTX 750 Ti (GM107)의 최대 구조를 보면 다이 사이즈는 25%가 증가하면서 쿠다 코어는 256, 텍스처 유닛은 8이 증가했다. 케플러 1GPC는 32, 맥스웰 1GPC는 40, 4GPC 케플러는 128, 맥스웰은 160으로 전체 32 유닛이 더 많다.
또 메모리를 직접 액세스로 케플러와 같이 1백만개 이상의 텍스처 동시 처리가 가능하며 CPU 점유율도 기존보다 줄었다. 이를 통해 실질적인 실행 유닛 증가로 컴퓨팅과 게임, GPGPU 전반이 향상된다.
메인스트림 GK107 (케플러)와 GM107 (맥스웰) GPU 차이
L2 캐쉬도 8배인 2048KB로 늘어나 코어 효율 향상, 전력 효율 최적화, 메모리 대역 의존도도 줄어든 것으로 알려졌다. 내부 처리 과정에서 보다 여유롭고 L2 캐쉬 입출력 개선으로 그래픽 연산과 GPGPU 연산의 효율을 높일 수 있으며 이와 같은 변화는 GPU의 CPU화가 한발 더 다가간 모습이다.
맥스웰 GM107은 GK107과 같이 GPC 1개에 2개의 64bit 메모리 컨트롤러가 제공해 128bit 메모리 인터페이스를 제공한다. 케플러 GK104 (GTX 680)는 4GPC 구조로 64bit 메모리 컨트롤러를 최대 4개 제공해 256bit를 구성했다. 맥스웰은 풀스펙이 공개되지 않았으나 고성능 버전이 등장한다면 케플러처럼 4GPC 또는 그 이상으로 256bit와 384bit 구성이 가능할 것으로 것으로 예상된다.
비디오 엔진은 동일, 새로운 GC5 파워 스테이트 지원
엔비디아는 케플러를 통해 싱글 카드로 최대 4대의 디스플레이를 지원할 수 있도록 디스플레이 파이프라인을 확장했으며 3D 비전 서라운드 (3D Vision Surround)도 하나의 카드로 구성 가능해졌다. 4K (UHD, 3840x2160)와 3GHz HDMI 지원, 향상된 비디오 트랜스 코딩 기술도 지원했다.
여기에 H.264 하드웨어 비디오 인코더인 NVENC를 내장해 쿠다 (CUDA) 기반 대비 전력 소비는 낮추고 인코딩 성능은 4배를 개선했으며 쉐도우 플레이 (ShowPlay)로 게임 영상 저장을 지원한다.
맥스웰에 내장한 비디오 엔진은 동일한 것으로 소개했으며 NVENC는 H.264 인코딩은 실시간으로 처리하고 더 빠른 디코드를 지원한다. 또 비디오 디코드 과정에서 전력 소모도 줄었으며 새로운 GC5 파워 스테이트 (Power State)를 지원해 비디오 재생시와 같은 환경에서 GPU의 전력 소모를 줄인다.
하이엔드 GPU 대신 메인스트림 GPU 먼저 출시
AMD는 적절한 성능과 가격대를 제시한 스위스팟 전략을 통해 그동안 GPU를 개발해왔고 최근들어 하이엔더 시장을 타겟으로 한 GPU를 출시하고 있다. 반면 엔비디아는 그동안 자사의 기술력과 시장의 존재감을 드러내기 위해 하이엔드 고성능 싱글 GPU 위주로 GPU를 발표해왔다.
하지만 엔비디아는 새로운 아키텍처인 맥스웰 (Maxwell)을 발표하면서 하이엔드 GPU가 아닌 메인스트림급 GPU인 지포스 GTX 750/ 750 Ti를 먼저 발표했다. 이는 안정화가 진행된 28nm 공정을 이용해 새로운 아키텍처의 시험을 위한 것으로도 볼 수 있지만 신공정인 20nm 공정으로는 만족할 만한 GPU를 아직은 생산하기 어렵다는 말도된다.
20nm 공정 미적용, 이게 다 TSMC 때문?
실제로 20nm 공정은 이제 일부 제조사의 모바일 칩 생산을 시작하는 등 이제 시작 단계로 안정화까지는 일정 시일이 필요하다. 또 20nm 공정 생산 비용은 높은 가격으로 기존 GPU 공정을 생산하는 28nm 공정 대비 불리하다는 점도 작용한 것으로 보인다.
맥스웰 1GPC에 5 SMM, 케플러 1GPC에 2 SMX가 탑재되는데 다이 사이즈는 118mm^2 (트랜지스터 집적도 1.3B)에서 148mm^2 (1.87B)로 25%가 증가해 실행 유닛과 제어 유닛은 더 늘어나 성능 향상이 가능하다. 하지만 단순 다이 사이즈 크기로 계산했을 때 4GPC 케플러는 472mm^2 (GTX 680, GK104는 294mm^2), 맥스웰은 592mm^2 (GK104와 유사한 구성이면 더 작아질 것으로 예상)로 GK110 (GTX 780 Ti)의 551mm^2보다 더 커지므로 28nm 공정을 이용한 한계가 보이며 28nm 공정에 맞추면 실질적인 성능 향상은 그만큼 작아질 것으로 예상된다.
엔비디아는 2014년 하반기 맥스웰 아키텍처 기반으로 고성능인 퍼포먼스와 하이엔드 GPU를 출시할 예정으로 알려졌고 20nm 공정 도입 여부는 확실치 않다. 하지만 20nm 공정을 이제 시작한 TSMC에서도 올해 하반기가 되면 GPU 생산에 필요한 공정 안정화가 어느 정도 진행되었을 것으로 예상되는 만큼 새로운 GPU 생산에도 보다 적합해질 것으로 전망된다.
공정 유지하며 효율화한 맥스웰 아키텍처
맥스웰 아키텍처는 페르미와 케플러를 이어주며 효율을 개선한 엔비디아 GPU 아키텍처다. 기존 케플러와 마찬가지로 게임 성능과 GPGPU 유연성, 전력 효율 개선으로 전력 소비도 향상했다.
아키텍처 내부적으로는 여러 작업을 동시 실행하는 멀티스레드 환경에 보다 적합한 구조와 실행 유닛 증가와 제어 유닛 효율화, L2 캐쉬 대형화로 GPU의 CPU화에 한발 더 다가갔다.
케플러가 지원하는 어댑티브 V-Sync, GPU 부스트, FXAA/ TXAA, 4대 모니터, GPU로 가속되는 PhysX를 포함한 다양한 기술과 G-Sync, 게임 스트림, 지포스 익스피리언스가 더해지며 시너지 효과를 내주며 케플러가 닦아놓은 시장에 안착하는데 큰 무리는 없어 보인다.
엔비디아의 전략 굳히기, 맥스웰
맥스웰은 케플러와 같이 작은 다이 사이즈를 가진 GPU로 하이엔드 시장을 공략할지에 대해서는 아직 알 수 없지만 전력 효율 높은 메인스트림인 지포스 GTX 750/ 750 Ti의 출시로 미루어 성능과 전력 효율을 고려한 GPU로 시장을 공략할 것으로 예상된다.
엔비디아는 여러 기술 요소를 조합해 시너지를 발휘하는데 강점을 가졌고 케플러 아키텍처를 잇는 맥스웰 아키테처에서도 이를 유지 발전할 것으로 보인다. 케플러로 시작된 새로운 전략은 시장 연계와 협력을 강화하고 맥스웰에서 더욱 가속화할 것으로 전망된다.
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