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메탈 (API)

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목차

1. 개요

Metal은 Apple이 개발한 저수준 그래픽스 API로, 2014년 iOS 기기에서 처음 도입되었으며, 이후 macOS에서도 지원된다. Metal은 GPU에 직접 접근하여 낮은 오버헤드로 성능을 향상시키는 것을 목표로 하며, 셰이더 언어를 사용하고 C/C++ 지원을 추가했다. Metal은 여러 버전을 거치며 기능을 개선해왔으며, MetalFX 업스케일링 프레임워크 및 메시 셰이더 지원 등 새로운 기능을 도입했다. Metal은 macOS, iOS, iPadOS 등 다양한 운영체제에서 지원되며, 다양한 게임 및 애플리케이션에서 활용되고 있다.

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2. 역사

Metal은 2014년 6월 2일부터 Apple A7 이상 칩을 탑재한 iOS 기기에서 사용 가능하게 되었다.[9] 이후 2015년 6월 8일부터는 OS X El Capitan을 실행하는 Mac (2012년 모델 이상)에서도 지원되기 시작했다.[10]

2017년 6월 5일 WWDC에서 애플은 Metal의 두 번째 버전인 Metal 2를 발표했다. 이는 macOS High Sierra, iOS 11, tvOS 11에서 지원된다. Metal 2는 기존 Metal과 별개의 API가 아니며 동일한 하드웨어에서 구동된다. 주요 개선점으로는 Xcode에서의 효율적인 프로파일링 및 디버깅 기능 향상, 가속화된 머신 러닝 지원, CPU 부하 감소, macOS에서의 가상 현실 지원, 그리고 Apple A11 GPU의 특정 기능 활용 등이 있다.[11]

2020년 WWDC에서는 Mac 컴퓨터가 기존 인텔 칩에서 자체 설계한 Apple silicon으로 전환될 계획이 발표되었다. Apple silicon을 탑재한 Mac은 macOS와 iOS에서 사용되던 그래픽 처리 기능을 통합한 Apple GPU를 특징으로 하며, 타일 기반 지연 렌더링 (TBDR) 아키텍처에 최적화된 기능을 활용할 수 있게 되었다.[12]

2022년 WWDC에서는 Metal의 세 번째 버전인 Metal 3가 공개되었다. 이는 macOS Ventura, iOS 16, iPadOS 16의 출시와 함께 도입되었다. Metal 3는 MetalFX 업스케일링 프레임워크를 도입하여 고성능 업스케일링과 안티앨리어싱을 지원하며, 메시 셰이더 지원을 통해 복잡한 장면을 더 짧은 시간에 렌더링할 수 있게 되었다.[13] 또한 Metal API에서 C/C++ 언어를 사용할 수 있게 되었다.[14]

3. 특징

(내용 없음)

3. 1. 성능 향상

메탈은 OpenGL과 비교했을 때 여러 측면에서 더 나은 성능을 제공한다.[31][33] 주요 이유는 다음과 같다.

  • 미리 컴파일된 셰이더와 선행 상태 확인: 셰이더를 미리 컴파일하고 상태를 미리 확인하여 실행 시 부하를 줄인다.
  • GPU와 CPU 사이의 명확한 동기화: GPU와 CPU 간의 작업 흐름을 명확하게 관리하여 효율성을 높인다.
  • GPU와 CPU 간 공유 메모리 공간: 두 프로세서가 메모리 공간을 공유하여 데이터 전송 시간을 단축한다.
  • 더 낮은 드라이버 부하: 드라이버의 오버헤드를 줄여 성능을 향상시킨다.


이러한 특징 덕분에 GPU 명령 실행에 필요한 CPU 작업량이 줄어든다. 결과적으로 CPU는 다른 연산에 자원을 더 할당할 수 있게 되어 전반적인 시스템 성능 향상으로 이어진다.

메탈은 GPU에 낮은 오버헤드로 접근하는 것을 목표로 한다. 명령어는 미리 인코딩된 후 비동기적으로 실행하기 위해 GPU에 제출된다. 개발자는 실행 완료 시점을 제어할 수 있어, GPU에서 명령이 실행되는 동안 다른 명령을 인코딩하거나, GPU 실행 완료를 명시적으로 기다려 처리량을 늘리거나 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한, 명령어 인코딩은 CPU 코어에 독립적이므로, 애플리케이션은 각 CPU 스레드에서 개별적으로 명령어를 인코딩할 수 있다. 렌더링 상태 역시 사전에 미리 계산되므로, GPU 드라이버는 명령어 실행 전에 렌더 파이프라인을 어떻게 구성하고 최적화할지 미리 알 수 있다.

메탈은 GPGPU 프로그래밍 기능을 컴퓨트 셰이더를 통해 개선한다. 메탈은 C++14를 기반으로 하는 자체 셰이딩 언어를 사용하며, 이는 Clang과 LLVM을 통해 구현된다.

개발자는 메탈을 사용하여 버퍼나 텍스처와 같은 리소스를 생성할 수 있다. 이 리소스들은 CPU, GPU 또는 양쪽에 모두 할당될 수 있으며, 할당된 리소스를 업데이트하고 동기화하는 기능도 제공된다. 또한, 명령어 인코더의 수명 동안 리소스 상태를 관리할 수 있다.

macOS 환경에서 메탈은 개발자에게 실행할 GPU를 선택할 수 있는 유연성을 제공한다. 개발자는 CPU의 저전력 통합 GPU, 별도의 고성능 GPU(일부 MacBook 및 Mac 모델), 또는 Thunderbolt를 통해 연결된 외부 GPU 중에서 선택할 수 있다. 또한, 어떤 GPU에서 특정 명령어를 실행할지에 대한 선호도를 지정하거나, 특정 작업(예: 장면 렌더링은 고성능 GPU, 후처리 및 디스플레이는 통합 GPU)에 가장 효율적인 GPU를 제안받을 수도 있다.

3. 2. Metal Performance Shaders

Metal Performance Shaders는 애플리케이션 개발자가 훌륭한 성능을 달성하고 동시에 GPU 제품군별 함수 유지 관리에 대한 작업을 줄일 수 있도록 지원하는 고도로 최적화된 그래픽 함수 라이브러리이다.[8] 주요 기능은 다음과 같다.

3. 3. 기타 특징

Metal은 GPU에 낮은 오버헤드로 접근하는 것을 목표로 한다. 명령은 미리 인코딩된 후 비동기적으로 실행하기 위해 GPU에 제출된다. 애플리케이션은 실행 완료 시점을 제어할 수 있어, 개발자는 GPU에서 명령이 실행되는 동안 다른 명령을 인코딩하거나, GPU 실행이 완료될 때까지 기다려 처리량을 늘리거나 전력을 절약할 수 있다. 또한, 명령 인코딩은 CPU에 독립적이므로 애플리케이션은 각 CPU 스레드에서 독립적으로 명령을 인코딩할 수 있다. 렌더 상태는 미리 계산되어 GPU 드라이버가 명령 실행 전에 렌더 파이프라인을 구성하고 최적화하는 방법을 미리 알 수 있게 한다.

Metal은 GPGPU 프로그래밍 기능을 컴퓨트 셰이더를 사용하여 개선한다. C++14를 기반으로 하는 특정 셰이딩 언어를 사용하며, 이는 Clang 및 LLVM을 통해 구현된다.

Metal은 개발자가 버퍼, 텍스처와 같은 Metal 리소스를 생성할 수 있게 한다. 이 리소스는 CPU, GPU 또는 둘 다에 할당될 수 있으며, 할당된 리소스를 업데이트하고 동기화하는 기능을 제공한다. 또한 명령 인코더의 수명 동안 리소스 상태를 적용할 수 있다.

macOS 환경에서 Metal은 개발자에게 실행할 GPU를 지정할 수 있는 유연성을 제공한다. 개발자는 CPU의 저전력 통합 GPU, 별도의 개별 GPU(특정 MacBook 및 Mac 모델), 또는 Thunderbolt를 통해 연결된 외부 GPU 중에서 선택할 수 있다. 또한 개발자는 특정 명령을 실행하는 데 어떤 GPU가 가장 효율적인지에 대한 선호도를 설정하고 제안을 받을 수 있다. 예를 들어, 장면 렌더링 명령은 개별 GPU에서 실행하고, 후처리 및 디스플레이는 통합 GPU에서 처리하는 방식이 가능하다.

4. 지원 환경

애플의 Metal API는 특정 하드웨어 및 소프트웨어 환경에서 작동하도록 설계되었다. 초기 Metal은 iOS 8 및 Apple A7 SoC 이후 버전을 탑재한 iOS 기기에서 처음 도입되었으며,[30] 이후 OS X 10.11 El Capitan부터 특정 인텔, AMD, NVIDIA GPU를 탑재한 Mac 컴퓨터에서도 지원되기 시작했다.[15]

Metal은 버전 업데이트를 거치며 지원 범위를 확장해왔다. Metal 2는 iOS 11 및 macOS 10.13 이상 운영체제에서 지원되며, 기존 Metal 지원 하드웨어에서 호환성을 유지했다. 최신 버전인 Metal 3는 iOS 16, iPadOS 16, macOS 13 이상 운영체제와 함께, A13 Bionic 칩 이상을 탑재한 아이폰 및 아이패드, 그리고 Apple 실리콘 또는 특정 인텔 및 AMD GPU를 탑재한 Mac에서 작동한다.[16][28]

4. 1. Metal (1세대)

애플이 WWDC 2014에서 발표한 그래픽 API로, iOS 8에서 처음 도입되었다.[30] macOS에서의 Metal 지원은 WWDC 2015에서 발표되었으며, OS X El Capitan부터 지원하기 시작했다.[15] 초기의 Metal은 특정 하드웨어 및 소프트웨어 조합에서만 사용 가능했으며,[15] OS X El Capitan을 지원하는 모든 Mac 컴퓨터가 Metal을 지원하는 것은 아니었다.

Metal 1세대를 지원하는 하드웨어 및 소프트웨어는 다음과 같다.[15]

플랫폼프로세서/그래픽운영체제
iOSApple A7 SoC 또는 이후 버전iOS 8 또는 이후 버전
macOSApple M1 SoC 또는 이후 버전macOS Big Sur 또는 이후 버전
인텔 프로세서, 인텔 HD 및 아이리스 그래픽스 (아이비브릿지 시리즈 또는 이후)OS X 10.11 또는 이후 버전
AMD 그래픽 (GCN 또는 RDNA 아키텍처)OS X 10.11 또는 이후 버전
NVIDIA 그래픽 (Kepler 아키텍처)OS X 10.11 ~ macOS Big Sur
NVIDIA 그래픽 (Maxwell 또는 Pascal 아키텍처)OS X 10.11 ~ macOS High Sierra


4. 2. Metal 2

2017년 6월 5일 WWDC에서 애플은 Metal의 두 번째 버전인 Metal 2를 발표했다. 이는 macOS High Sierra, iOS 11 및 tvOS 11에서 지원한다. Metal 2는 기존 Metal과 별개의 API가 아니며, 동일한 하드웨어에서 지원된다. Metal 2는 Xcode에서의 효율적인 프로파일링 및 디버깅 기능 향상, 가속화된 머신 러닝 처리, 더 낮은 CPU 사용량, macOS에서의 가상 현실 지원, 그리고 특히 Apple A11 GPU의 특정 기능 활용 등을 가능하게 했다.[11]

Metal 2 API는 다음 하드웨어 및 소프트웨어를 지원한다.

플랫폼프로세서/그래픽운영체제
iOS 기기Apple A7 SoC 또는 이후 버전iOS 11 또는 이후 버전
Apple Silicon MacApple M1 SoC 또는 이후 버전macOS 11 또는 이후 버전
인텔 기반 Mac인텔 HD 및 아이리스 그래픽스 스카이레이크 시리즈 또는 이후 버전macOS 10.13 또는 이후 버전
AMD 그래픽 탑재 MacGCN 또는 RDNA 아키텍처macOS 10.13 또는 이후 버전



2017년 10월 시점에서 Metal 및 Metal 2를 지원하는 Mac 컴퓨터는 다음과 같다[29]:


  • iMac (Late 2012 이후 모델)
  • MacBook (Early 2015 이후 모델)
  • MacBook Pro (Mid 2012 이후 모델)
  • MacBook Air (Mid 2012 이후 모델)
  • Mac mini (Late 2012 이후 모델)
  • Mac Pro (Late 2013 이후 모델)
  • Mac Pro (Mid 2010 이후 모델 중 Metal 지원 GPU 탑재 기기: Nvidia Kepler 아키텍처 이후 또는 AMD GCN 아키텍처 이후)

4. 3. Metal 3

2022년 WWDC에서 애플은 Metal의 세 번째 버전인 Metal 3를 발표했다. 이는 macOS Ventura, iOS 16, iPadOS 16의 출시와 함께 데뷔했다.[13] Metal 3는 다음과 같은 주요 기능을 도입했다.

  • MetalFX 업스케일링 프레임워크: 고성능 업스케일링과 안티앨리어싱 기술을 제공한다.[13]
  • 메시 셰이더 지원: 복잡한 장면을 프레임당 더 짧은 시간에 렌더링할 수 있도록 돕는다.[13]
  • C/C++ 지원: Metal API에서 C/C++ 언어를 사용할 수 있게 되었다.[14]


Metal 3를 지원하는 하드웨어 및 소프트웨어는 다음과 같다.[16][28]

구분최소 사양운영체제
아이폰, 아이패드A13 Bionic 칩 이상
(iPhone 11/SE 2세대 이후, iPad 9세대 이후)		iOS 16, iPadOS 16 이상
MacApple 실리콘 (Apple M1 이상) 또는 인텔 프로세서 (인텔 UHD Graphics 630 또는 Iris Plus 이상, 카비 레이크 아키텍처 이상)
AMD 그래픽 (RDNA 5000/6000 시리즈 또는 Pro Vega 5세대 GCN)		macOS Ventura 이상


5. 도입 현황

애플에 따르면 2017년 6월 기준으로 148,000개 이상의 애플리케이션이 메탈을 직접 사용하며, 170만 개 이상의 애플리케이션이 상위 프레임워크를 통해 메탈을 사용하고 있다.[17] macOS 환경에서 메탈을 지원하는 게임 목록은 아래 하위 섹션에서 자세히 다룬다.

5. 1. Metal 지원 게임 (macOS)

애플에 따르면 2017년 6월 기준으로 148,000개 이상의 애플리케이션이 Metal을 직접 사용하고, 170만 개가 상위 프레임워크를 통해 사용하고 있다.[17] Metal을 사용하여 렌더링하는 macOS 게임은 아래와 같다.

제목개발사 (macOS 버전)게임 엔진macOS 출시일 (OpenGL/DirectX)Metal 기반 출시일Metal 지원 참고사항
아크 서바이벌 이볼브드Studio Wildcard언리얼 엔진 42017년 8월 29일출시 시점부터 Metal 지원
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바이오쇼크 리마스터Feral Interactive언리얼 엔진 2.52017년 8월 22일출시 시점부터 Metal 지원
바이오쇼크 2 리마스터Feral Interactive언리얼 엔진 2.52020년 10월 22일출시 시점부터 Metal 지원
시티즈: 스카이라인Paradox Interactive유니티 엔진 52015년 3월 10일2017년 5월 18일부터 Metal 지원
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Divinity: Original Sin IILarian StudiosDivinity Engine 22019년 1월 31일출시 시점부터 Metal 지원
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Warhammer 40,000: Dawn of War IIIFeral InteractiveEssence Engine 42017년 6월 9일출시 시점부터 Metal 지원
The WitnessThekla, IncThekla Engine2017년 3월 8일출시 시점부터 Metal 지원
월드 오브 워크래프트Blizzard EntertainmentWoW 엔진2004년 11월 23일2016년 8월부터 Metal 지원
X-Plane 11Laminar Research자체 엔진2017년 5월 30일2020년 4월 2일부터 베타에서 Metal 지원[22]


참조

[1] 웹사이트 Getting started with Metal-CPP - Metal https://developer.ap[...]
[2] 웹사이트 Metal Shading Language Specification https://developer.ap[...] Apple Inc.
[3] 웹사이트 Setting Up a Command Structure https://developer.ap[...] Apple Inc.
[4] 웹사이트 Metal Shading Language Guide https://developer.ap[...] 2014-09-08
[5] 웹사이트 Setting Resource Storage Mode https://developer.ap[...] Apple Inc.
[6] 웹사이트 Synchronizing a Managed Resource https://developer.ap[...] Apple Inc.
[7] 웹사이트 GPU Selection in macOS https://developer.ap[...] Apple Inc.
[8] 웹사이트 Metal Performance Shaders https://developer.ap[...]
[9] 웹사이트 Apple gets heavy with gaming, announces Metal development platform https://arstechnica.[...] Condé Nast 2014-06-02
[10] 웹사이트 Apple Announces OS X El Capitan with Refined Experience & Improved Performance https://www.apple.co[...] Apple 2015-06-08
[11] 웹사이트 Metal 2 https://developer.ap[...] Apple 2017-11-20
[12] 웹사이트 Bring your Metal app to Apple Silicon Macs https://developer.ap[...] 2020-07-13
[13] 웹사이트 Discover Metal 3 https://developer.ap[...] 2022-06-24
[14] 웹사이트 Program Metal in C++ with metal-cpp https://developer.ap[...] 2022-09-10
[15] 웹사이트 Apple Turns Its Back On Customers And NVIDIA With macOS Mojave https://www.forbes.c[...] 2018-12-11
[16] 웹사이트 Metal feature set tables https://developer.ap[...] Apple
[17] 웹사이트 WWDC 2017 Platforms State of the Union https://developer.ap[...] Apple Inc.
[18] 뉴스 Vulkan Applications Enabled on Apple Platforms https://www.khronos.[...] Khronos Group Press Release 2021-02-24
[19] 웹사이트 Initial Vulkan Performance On macOS With Dota 2 Is Looking Very Good https://www.phoronix[...] Phoronix 2018-06-01
[20] 웹사이트 HEROES OF THE STORM BALANCE PATCH NOTES — NOVEMBER 29, 2017 https://news.blizzar[...] 2017-11-29
[21] Tweet vkQuake2 gets MacOS support 2019-02-09
[22] 웹사이트 X-Plane 11.50 Public Beta 1: Vulkan and Metal Are Here https://developer.x-[...] 2020-04-02
[23] 웹사이트 Metal Shading Language Guide https://developer.ap[...] アップル 2014-09-17
[24] 웹사이트 西川善司の3DGE：Appleのゲーム向けAPI「Metal 3」は，DirectX 12 Ultimateに一層近づいた https://www.4gamer.n[...] 2023-06-21
[25] 웹사이트 Technologies for Game Developers https://developer.ap[...] 2023-06-21
[26] 웹사이트 Metal shader converter - Metal https://developer.ap[...] 2023-06-21
[27] 웹사이트 Apple、WindowsゲームをMacに移植する「Game Porting Tool」リリース https://www.itmedia.[...] 2023-06-21
[28] 웹사이트 Discover Metal 3 - WWDC22 - Videos https://developer.ap[...] 2023-06-21
[29] 웹사이트 Metal に対応している Mac コンピュータの一覧 https://support.appl[...] アップル 2017-10-10
[30] 문서 【西田宗千佳のRandomTracking】WWDC 2014 開発環境編:「機器の外の魅力」で戦う準備を進めるアップル - AV Watch https://av.watch.imp[...]
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