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물리 처리 장치

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1. 개요

물리 처리 장치(PPU)는 물리 연산을 가속화하기 위해 설계된 전용 하드웨어 장치이다. SPARTA, HELLAS와 같은 초기 연구 프로젝트를 거쳐, 2006년 AGEIA에서 최초의 상용 PPU인 PhysX를 출시했다. PhysX는 입자 시스템 가속에 효과적이었으며, 이후 엔비디아가 AGEIA를 인수하여 PhysX 기술을 자사 GPU에 통합했다. 하복 FX는 멀티 GPU 기술을 활용하여 물리 계산을 가속화하려 했으나, 인텔의 Havok 인수로 인해 중단되었다. GPU의 발전으로 PPU의 역할은 GPU에 흡수되는 경향이 있으며, 최신 GPU는 컴퓨트 셰이더를 통해 다양한 물리 연산을 수행할 수 있다.

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물리 처리 장치
기본 정보
GPU와 PPU
GPU와 PPU
유형전용 마이크로프로세서
약칭PPU
개발사에이지에이 (AGEIA)
엔비디아 (Nvidia)
역사
최초 출시2005년
단종2008년
기술 사양
코어 수4개 또는 8개
스레드 수512개
메모리128MB GDDR3
메모리 인터페이스128비트
인터페이스PCI
명령어 세트전용 명령어 세트
활용
주요 용도물리 연산 가속화
응용 분야비디오 게임
물리 시뮬레이션
관련 기술
관련 기술CUDA
OpenCL
DirectCompute
대체 기술GPU (그래픽 처리 장치)

2. 역사

PPU(물리 처리 장치)의 역사는 학술 연구에서 시작하여 상용 제품 출시와 기술 발전으로 이어졌다.

초기에는 펜실베이니아 주립 대학교와 조지아 대학교에서 SPARTA(Simulation of Physics on A Real-Time Architecture) 프로젝트[15][16]와 HELLAS[17] 같은 학술적 연구가 진행되었다.

2006년 2월에는 Ageia(나중에 Nvidia에 합병됨)에서 최초의 전용 PPU인 PhysX를 출시했다.[4] 이 장치는 입자 시스템 가속에 가장 효과적이었으며, 강체 물리학의 경우 성능 향상이 미미했다.[4] ASUS, BFG Technologies[6], ELSA Technologies 등에서 PhysX 카드를 제조했다.[7]

Havok SDK는 PhysX SDK의 주요 경쟁자[12] 였으며, Havok FX는 멀티 GPU 기술을 활용하여 물리 계산을 가속화하고자 했다.[13] 그러나 인텔의 Havok 인수로 인해 Havok FX는 중단 또는 취소된 것으로 보인다.[14]

Nvidia는 2008년에 AGEIA Technologies를 인수하고,[8] PhysX를 개방형 표준으로 만들겠다고 발표했다.

2. 1. 초기 연구 (SPARTA, HELLAS)

펜실베이니아 주립 대학교와 조지아 대학교에서 SPARTA(Simulation of Physics on A Real-Time Architecture)라는 초기 학술적 PPU 연구 프로젝트가 진행되었다.[1][2][3][15][16][17] SPARTA는 2차원으로 제한된 간단한 FPGA 기반 PPU였다. 이 프로젝트는 HELLAS라는 이름의 훨씬 더 진보된 ASIC 기반 시스템으로 확장되었다.

2. 2. AGEIA PhysX

AGEIA는 팹리스 반도체 회사로, 2006년에 최초의 상용 PPU인 PhysX 칩을 출시했다.[4] PhysX는 전용 PPU 하드웨어를 통해 입자 시스템 가속 등 물리 연산을 효율적으로 처리했다. ASUS, BFG Technologies[6], ELSA Technologies 등에서 PhysX PPU 카드를 제조하여 판매했다.[7]

PhysX P1의 주요 특징은 다음과 같다.[9][10]

항목상세 내용
코어"수많은 코어"를 가진 통합 물리 가속 하드웨어와 메모리 서브 시스템을 갖춘 MIPS 아키텍처 기반의 멀티 코어 장치
트랜지스터 수1억 2천 5백만 개[11]
다이 크기182mm2
제조 공정130 nm
최대 전력 소비량30W
메모리128 MB GDDR3 RAM (128비트 인터페이스)
인터페이스32비트 PCI 3.0 (ASUS는 PCI Express 버전 카드도 제작)
구 충돌 테스트초당 5억 3천만 회 (최대 성능)
볼록 충돌 테스트초당 53만 회 (최대 성능)
최대 명령어 처리 대역폭초당 200억 회



2008년, Nvidia는 AGEIA를 인수하고 PhysX 기술을 자사 GPU에 통합했다.[8]

2. 3. 하복 FX (Havok FX)

Havok SDK는 PhysX SDK의 주요 경쟁자였으며, 하프라이프 2, 헤일로 3, 데드 라이징과 같은 주요 타이틀을 포함하여 150개 이상의 게임에서 사용되었다.[12]

PhysX PPU와 경쟁하기 위해, Havok FX로 알려진 버전은 ATI(AMD 크로스파이어)와 NVIDIA(SLI)의 멀티 GPU 기술을 활용하여 특정 물리 계산을 가속화할 예정이었다.[13]

Havok은 물리 시뮬레이션을 '이펙트'와 '게임플레이' 물리학으로 나눈다. 이펙트 물리학은 가능한 경우 Shader Model 3.0 명령어로 GPU로 오프로드되고, 게임플레이 물리학은 CPU에서 정상적으로 처리된다. 둘 사이의 중요한 차이점은 '이펙트' 물리학은 게임플레이에 영향을 미치지 않는다는 것이다(예: 폭발로 인한 먼지 또는 작은 파편). 대부분의 물리 연산은 여전히 소프트웨어에서 수행된다. 이러한 접근 방식은 모든 계산을 PhysX 카드가 있으면 PhysX 카드(PPU)로 이동하는 PhysX SDK와 크게 다르다.

인텔의 Havok 인수로 인해 Havok FX는 중단되었거나 취소된 것으로 보인다.[14]

2. 4. 인텔 제온 파이 (Intel Xeon Phi)

제온 파이는 CPU와 GPU 사이에 위치하며 범용 목적 처리(general purpose processing)에서부터 전문적인 고성능 백엔드 처리에 이르기까지 용도가 다양하다. 그러므로 스크래치패드보다 캐시를 사용하지만 여전히 높은 스루풋을 달성할 수 있다.

3. PPU와 GPU

GPGPU 기술 발전으로 GPU가 PPU의 역할을 흡수하는 경향이 나타났다. DX10은 정수 데이터 유형, 통합 셰이더 아키텍처, 더 광범위한 알고리즘을 구현할 수 있게 해주는 지오메트리 셰이더 단계를 추가했다. 최신 GPU는 인덱싱된 공간에서 실행되며 그래픽 리소스가 아닌 범용 데이터 버퍼만 필요한 컴퓨트 셰이더를 지원한다. Nvidia CUDA는 스레드 간 통신과 스레드와 관련된 스크래치패드 스타일의 작업 공간 측면에서 약간의 추가 기능을 제공한다.[1]

그럼에도 불구하고 GPU는 더 많은 수의 더 긴 대기 시간과 더 느린 스레드를 기반으로 구축되었으며 텍스처 및 프레임버퍼 데이터 경로를 중심으로 설계되었고 분기 성능이 좋지 않다. 이는 GPU가 게임 세계 시뮬레이션 작업을 인수하는 데 덜 최적화되어 있다는 점에서 PPU 및 Cell과 구별된다.[2]

4. 플레이스테이션 2의 VU0

플레이스테이션 2의 VU0는 초기 형태의 제한적인 물리 처리 장치(PPU) 구현이라고 볼 수 있다. PS2 프로그래머에게는 PPU가 VU0을 대체하는 진화된 형태로 설명될 수도 있다. VU0는 물리 및 AI를 포함한 게임 업데이트 작업을 가속화하는 데 중점을 두고 있으며, CPU가 다른 작업을 수행하는 동안 자체 명령 스트림을 사용하여 이러한 계산을 오프로드할 수 있다. 그러나 VU0은 DSP이므로 게임 엔진에서 유용한 작업을 수행하는 데 CPU에 훨씬 더 의존하며, 전체 물리 API를 구현할 수 없으므로 PPU로 분류할 수 없다. 또한 VU0은 추가적인 정점 처리 능력을 제공할 수 있지만, 이는 장치 자체보다는 시스템의 경로 속성이다.

이러한 사용법은 보조 장치의 범용 부동 소수점 연산 능력을 그래픽 또는 물리 역할에서 CPU를 보완하는 데 사용하는 Havok FX 또는 GPU 물리와 유사하다.

참조

[1] 논문 HELLAS: A Specialised Architecture for Interactive Deformable Object Modeling http://www.cs.scrant[...] ACM Southeast Conference 2006-03-10
[2] 논문 Specialized Hardware for Deformable Object Modeling http://www.cs.scrant[...] IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology 2003-11
[3] 웹사이트 SPARTA Homepage http://www.cse.psu.e[...] Cse.psu.edu 2010-08-16
[4] 웹사이트 Exclusive: ASUS Debuts AGEIA PhysX Hardware http://www.anandtech[...] AnandTech 2010-08-16
[5] 웹사이트 United States Patent Application: 0050086040 http://appft1.uspto.[...] Appft1.uspto.gov 2010-08-16
[6] 웹사이트 ":::News Release:::" http://www.bfgtech.c[...] 2011-06-08
[7] 간행물 BFG Tech ad for the PhysX https://books.google[...] Future US 2006-05
[8] 웹사이트 Nvidia offers PhysX support to AMD / ATI http://www.custompc.[...]
[9] 웹사이트 PhysX FAQ http://www.nvidia.co[...] NVIDIA Corporation 2018-11-28
[10] 웹사이트 Lets Get Physical: Inside The PhysX Physics Processor http://www.blachford[...] 2006
[11] 웹사이트 Legit Reviews - ASUS's AGEIA PhysX P1 Card http://www.legitrevi[...]
[12] 웹사이트 Games using Havok http://www.havok.com[...] 2007-02-19
[13] 웹사이트 Havok FX product information http://www.havok.com[...]
[14] 웹사이트 GPU Physics Dead for Now, Says AMD's Developer Relations Chief http://www.xbitlabs.[...] Xbit Laboratories 2007-11-19
[15] 논문 HELLAS: A Specialised Architecture for Interactive Deformable Object Modeling http://www.cs.scrant[...] ACM Southeast Conference 2006-03-10
[16] 논문 Specialized Hardware for Deformable Object Modeling http://www.cs.scrant[...] IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology 2003-11
[17] 웹인용 SPARTA Homepage http://www.cse.psu.e[...] Cse.psu.edu 2010-08-16
[18] 웹인용 Games using Havok http://www.havok.com[...] 2017-04-13



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