그래픽 처리 장치
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1. 개요
그래픽 처리 장치(GPU)는 1970년대 아케이드 게임에서부터 시작되어 개인용 컴퓨터, 게임 콘솔, 스마트폰 등 다양한 기기에서 그래픽 처리를 담당하는 핵심 부품으로 발전해왔다. 초기에는 특정 기능을 수행하는 칩 형태로 시작되었지만, 1990년대 이후 2D 및 3D 그래픽 가속 기술의 발전과 함께 프로그래밍 가능한 셰이더를 탑재하여 더욱 유연하고 강력한 성능을 제공하게 되었다. 현재는 전용 그래픽 카드, 내장 그래픽, 하이브리드 그래픽 등 다양한 형태로 제공되며, 특히 GPGPU 기술의 발달로 인해 인공지능, 고성능 컴퓨팅 분야에서도 널리 활용되고 있다. GPU 개발 기업으로는 AMD, 엔비디아, 인텔 등이 있으며, 모바일 기기에는 퀄컴, 이매지네이션 테크놀로지스, ARM 등의 GPU가 주로 사용된다.
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| 그래픽 처리 장치 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 기본 정보 | |
| 종류 | 특수 전자 회로 |
| 용도 | 그래픽 가속기 |
| 기술 정보 | |
| 다른 이름 | 시각 처리 장치 비주얼 프로세싱 유닛 |
| 영어 이름 | Graphic Processing Unit |
| 약칭 | GPU |
2. 역사
1983년에 인텔에서 제조한 iSBX 275 그래픽 컨트롤러 멀티모듈 보드는 82720 그래픽 디스플레이 컨트롤러를 기반으로 제작되었으며 직선, 곡선, 사각형과 캐릭터 비트맵에 대한 가속 기능을 지원했다.[9] 1990년대를 거치며 2D 그래픽 가속 기능은 계속 발전했다. 제조 기술이 발전하면서 마이크로소프트 WinG(윈도우 3.x용 그래픽 라이브러리)와 DirectDraw(Windows 95 이상에서 2D 게임 하드웨어 가속을 지원) 등 다양한 작업을 위한 추가적인 응용 프로그램 인터페이스(API)들이 개발되었다.
1990년대 초중반, CPU가 실시간 3D 그래픽을 구현했지만, 게임의 수요가 높아짐에 따라 그래픽 카드의 3D 처리가 요구되었다. OpenGL, DirectX 등의 3D API 프로그램들이 등장하면서 전문가용 3D 그래픽 카드가 등장했지만, 일반 사용자용으로 주목할 만한 것은 엔비디아 지포스 256이었다. 2000년대에 들어서는 GPGPU 등 여러 기능이 추가되어 GPU가 CPU의 기능 일부를 담당할 수 있게 되었다.
2. 1. 1970년대
아케이드 기판에서는 1970년대 이후로 특화된 그래픽 칩을 사용하고 있었다. 초기 비디오 게임 하드웨어는 프레임 버퍼에 사용되는 램이 매우 비쌌기 때문에, 비디오 칩은 화면이 모니터에 주사되어 출력되고 있을 때에 데이터를 모아 합성했다.[176]후지쯔의 MB14241 영상 표시 제어기는 다양한 1970년대의 아케이드 게임에서 스프라이트 그래픽의 출력 속도를 가속화하기 위해 사용되었으며, 다이토와 미드웨이 게임스의 '건 파이트'(1975), '씨울프'(1976), 스페이스 인베이더(1978) 등이 그 예이다.[177][178][179]
1979년 남코의 갤럭시안 아케이드 시스템은 RGB color, 다색 스프라이트, tilemap 배경을 지원하는 특수한 그래픽 하드웨어를 사용했다.[3] 갤럭시안 하드웨어는 남코, 센추리, Gremlin, 아이렘, 코나미, 미드웨이, 니치부츠, 세가, 타이토 등의 게임 회사에서 아케이드 비디오 게임의 황금기 동안 널리 사용되었다.[4]
1977년 아타리 2600은 텔레비전 인터페이스 어댑터(텔레비전 인터페이스 어댑터)라고 하는 비디오 시프터를 사용했다.[5] 아타리 8비트 컴퓨터(1979)에는 ANTIC이라는 비디오 프로세서가 있었는데, 이 프로세서는 "디스플레이 리스트"(디스플레이 리스트)—스캔 라인이 특정 비트맵 또는 문자 모드에 매핑되는 방식과 메모리가 저장되는 위치(따라서 연속적인 프레임 버퍼가 필요하지 않음)—를 설명하는 명령어를 해석했다.[6] 6502 머신 코드(머신 코드) 서브루틴은 디스플레이 리스트 명령어의 비트를 설정하여 스캔 라인에서 트리거될 수 있었다.[7] ANTIC은 CPU와 독립적으로 부드러운 수직 스크롤과 수평 스크롤도 지원했다.[8]
2. 2. 1980년대
인텔에서 제조한 iSBX 275 그래픽 컨트롤러 멀티모듈 보드는 82720 그래픽 디스플레이 컨트롤러를 기반으로 제작되었으며, 직선, 곡선, 사각형 및 캐릭터 비트맵에 대한 가속 기능을 지원했다.[9] NEC μPD7220는 최초로 단일 대규모 집적(LSI) 집적회로 칩으로 개인용 컴퓨터 그래픽 디스플레이 프로세서를 구현한 제품이었다. 이를 통해 넘버 나인 비주얼 테크놀로지 등에서 만든 저렴하고 고성능의 비디오 그래픽 카드 설계가 가능해졌으며, 1980년대 중반까지 가장 잘 알려진 GPU였다.[10]
1982년에 출시된 윌리엄스 일렉트로닉스 아케이드 게임인 ''로보트론 2084'', ''저스트'', ''시니스타'', 그리고 ''버블스''는 모두 16색 비트맵을 조작하기 위한 맞춤형 블리터 칩을 포함하고 있었다.[11][12] 1984년, 히타치는 개인용 컴퓨터용 최초의 주요 CMOS 그래픽 프로세서인 ARTC HD63484를 출시했는데, 단색 모드에서 최대 4K 해상도를 표시할 수 있었다.[13] 1985년, 아미가는 비트맵 조작, 선 그리기 및 영역 채우기를 위한 블리터를 포함한 맞춤형 그래픽 칩과 함께 출시되었다. 1986년, 텍사스 인스트루먼츠는 최초의 완전 프로그래밍 가능 그래픽 프로세서인 TMS34010을 출시했다.[14]
1987년, IBM 8514 그래픽 시스템이 출시되었다. IBM PC 호환 기기를 위해 전용 함수 2D 기본 요소를 전자 하드웨어에 구현한 최초의 비디오 카드 중 하나였다. 같은 해 출시된 샤프의 X68000은 65,536색 팔레트와 스프라이트, 스크롤링, 여러 플레이필드에 대한 하드웨어 지원 기능을 갖춘 맞춤형 그래픽 칩셋을 사용했으며, 캡콤의 CP 시스템 아케이드 보드의 개발 기계 역할을 했다.[15][16] 1989년에 출시된 후지쯔의 FM 타운스 컴퓨터는 1,677만 7,216색 팔레트를 지원했다.[17]
IBM은 최대 해상도가 640×480픽셀인 자체 독점 소프트웨어 VGA 디스플레이 표준을 1987년에 도입했다. 1988년 11월, NEC 홈 일렉트로닉스는 VGA의 후속 제품으로 슈퍼 VGA 컴퓨터 디스플레이 표준을 개발하고 홍보하기 위해 VESA를 설립했다고 발표했다. 슈퍼 VGA는 최대 800×600 픽셀의 그래픽 디스플레이 해상도를 가능하게 했다.[20]
2. 3. 1990년대
1990년대에는 2D 그래픽 가속 기능이 계속 발전했다. 제조 기술이 발전하면서, 마이크로소프트 WinG(윈도우 3.x용 그래픽 라이브러리)와 DirectDraw(Windows 95 이상에서 2D 게임 하드웨어 가속을 지원) 등 다양한 작업을 위한 추가적인 응용 프로그램 인터페이스(API)들이 개발되었다.
1991년, S3 그래픽스(S3 Graphics)는 S3 86C911을 출시했는데,[21] 설계자들은 성능 향상을 의미하는 포르셰 911(Porsche 911)을 따서 이름을 붙였다. 1995년까지 모든 주요 PC 그래픽 칩 제조업체들은 자사 칩에 2D 가속 지원을 추가했다.[22]
1990년대 초중반, 아케이드, 컴퓨터 및 콘솔 게임에서 실시간 3D 그래픽이 보편화되면서 하드웨어 가속 3D 그래픽에 대한 대중의 수요가 증가했다. 초기 사례로는 세가 모델 1(Sega Model 1), 남코 시스템 22(Namco System 22), 세가 모델 2(Sega Model 2)와 같은 아케이드 시스템 보드와 5세대 비디오 게임 콘솔인 새턴, 플레이스테이션, 닌텐도 64(Nintendo 64) 등이 있다.
OpenGL은 1990년대 초 SGI가 전문적인 그래픽 API로 도입했으며, 3D 래스터화에 대한 독점 하드웨어 지원을 제공했다. 1994년 마이크로소프트는 소프티메지를 인수했는데, 이는 초기 CGI 영화 제작 도구였다. 이 계약을 통해 SGI와 전략적 관계를 맺고 SGI의 OpenGL 라이브러리에 대한 상업적 라이선스를 얻어 마이크로소프트는 API를 Windows NT OS로 이식할 수 있었다. 1994년 마이크로소프트는 Windows '95에서 게임 지원을 위한 DirectX 1.0을 발표했고, 1995년에 [https://mergr.com/microsoft-acquires-rendermorphics 영국에 본사를 둔 Rendermorphics Ltd를 인수]하고 소비자 3D 그래픽 가속을 위한 Direct3D 드라이버 모델을 발표했다. Direct3D 드라이버 모델은 1996년 DirectX 2.0과 함께 출시되었다.
엔비디아(Nvidia) 지포스 256(GeForce 256) (NV10)은 하드웨어 가속 T&L(변환, 클리핑 및 조명)을 갖춘 최초의 소비자급 카드였다.
2. 4. 2000년대
1990년대 초중반, CPU가 실시간 3D 그래픽을 구현했지만, 게임의 수요가 높아짐에 따라 그래픽 카드의 3D 처리가 요구되었다. OpenGL, DirectX 등의 3D API 프로그램들이 등장하면서 전문가용 3D 그래픽 카드가 등장했지만, 일반 사용자용으로 주목할 만한 것은 엔비디아 지포스 256이었다. 2000년대에 들어서는 GPGPU 등 여러 기능이 추가되어 GPU가 CPU의 기능 일부를 담당할 수 있게 되었다.엔비디아는 프로그래밍 가능한 셰이딩이 가능한 칩을 최초로 생산했는데, 그 제품이 바로 지포스 3이다. 각 픽셀은 추가적인 이미지 텍스처를 입력으로 포함할 수 있는 짧은 프로그램에 의해 처리될 수 있었고, 각 기하학적 정점 또한 화면에 투영되기 전에 짧은 프로그램에 의해 처리될 수 있었다. Xbox 콘솔에 사용된 이 칩은 하드웨어 가속 정점 처리에 맞춤형 벡터 유닛을 사용한 플레이스테이션 2의 칩과 경쟁했다.
2002년 10월, ATI의 Radeon 9700이 출시되면서 세계 최초의 Direct3D 9.0 가속기가 등장했고, 픽셀 및 정점 셰이더는 반복문과 긴 부동 소수점 연산을 구현할 수 있게 되었으며, 빠르게 CPU만큼 유연해졌지만 이미지 배열 연산에서는 훨씬 빠른 속도를 보였다.[32] 픽셀 셰이딩은 객체를 반짝이게, 흐리게, 거칠게 또는 둥글거나 돌출되게 보이도록 질감을 추가하는 범프 매핑에 자주 사용된다.
엔비디아 지포스 8 시리즈와 새로운 일반적인 스트림 처리 장치가 도입되면서 GPU는 더욱 일반화된 컴퓨팅 장치가 되었다. 병렬 GPU는 CPU에 대한 컴퓨팅 영향력을 확대하고 있으며, GPU 컴퓨팅 또는 ''GPU에서의 범용 컴퓨팅''을 의미하는 GPGPU는 여러 분야에서 응용되고 있다. GPGPU는 현재 컴퓨트 셰이더(예: CUDA, OpenCL, DirectCompute)라고 불리는 것의 전신이었다.
2007년에 처음 도입된[36] 엔비디아의 CUDA 플랫폼은 GPU 컴퓨팅을 위한 가장 널리 채택된 프로그래밍 모델 중 하나였다. OpenCL은 크로노스 그룹이 정의한 개방형 표준으로, 이식성을 중시하여 GPU와 CPU 모두를 위한 코드 개발을 허용한다.[37]
2. 5. 2010년대
그래픽 카드의 저전력 및 소형화는 프로그램이 가능한 추상화되고 통합된 로직 처리의 그래픽스 파이프라인으로의 전환을 통해 실현되었다.[180] 이는 스마트폰에 사용되는 이미지네이션 테크놀로지의 파워VR처럼 PC에서 사용되던 손바닥만한 크기의 하드웨어를 스마트폰에서 사용되는 손톱 크기로 줄이는 것을 가능하게 하였으며, DC 5V 전후의 초저전력 사용에 필수적인 역할을 하였다.[180]
2010년, 엔비디아는 아우디와 협력하여 테그라 GPU를 자동차 대시보드에 사용하여 자동차 내비게이션 및 엔터테인먼트 시스템의 기능을 향상시켰다.[39] 이러한 자동차 GPU 기술의 발전은 자율 주행 기술 발전에 기여했다.[40] AMD의 Radeon HD 6000 시리즈 카드는 2010년에 출시되었고, 2011년에는 모바일 기기를 위한 6000M 시리즈 독립형 GPU를 출시했다.[41] 2012년에 출시된 엔비디아의 케플러 계열 그래픽 카드는 엔비디아 600 및 700 시리즈 카드에 사용되었다. 이 GPU 마이크로아키텍처의 기능 중 하나는 GPU 부스트로, 전력 소모량에 따라 비디오 카드의 클럭 속도를 조절하는 기술이다.[42] 케플러 마이크로아키텍처는 28 nm 공정에서 제조되었다.
PS4와 엑스박스 원은 2013년에 출시되었으며, 둘 다 AMD의 Radeon HD 7850 및 7790을 기반으로 하는 GPU를 사용한다.[43] 엔비디아의 케플러 계열 GPU는 같은 공정으로 제조된 맥스웰 계열에 이어 출시되었다. 엔비디아의 28nm 칩은 대만의 TSMC에서 28nm 공정을 사용하여 제조되었다. 이전의 40nm 기술과 비교하여 이 제조 공정은 전력 소모량을 줄이면서 성능을 20% 향상시켰다.[44][45] 가상 현실 헤드셋은 높은 시스템 요구 사항을 가지고 있으며, 출시 당시 제조업체는 GTX 970 및 R9 290X 이상을 권장했다.[46][47] 2016년에는 파스칼 마이크로아키텍처를 기반으로 한 지포스 10 시리즈 카드가 출시되었으며, 16nm 제조 공정을 사용하여 이전 마이크로아키텍처를 개선했다.[48] 엔비디아는 새로운 볼타 아키텍처 기반의 비소비자용 카드인 Titan V를 출시했는데, CUDA 코어 수 증가, 텐서 코어 추가 및 HBM2를 포함한다. 텐서 코어는 심층 학습을 위해 설계되었으며, 고대역폭 메모리는 온다이(on-die), 스택형, 저클럭 메모리로 매우 넓은 메모리 버스를 제공한다.
2018년, 엔비디아는 GPU에 광선 추적 코어를 추가하여 조명 효과 성능을 개선한 RTX 20 시리즈 GPU를 출시했다.[49] AMD의 Polaris 11 및 Polaris 10 GPU는 14nm 공정으로 제작되었다. 이들의 출시는 AMD 비디오 카드의 와트당 성능을 크게 향상시켰다.[50] AMD는 또한 엔비디아의 하이엔드 파스칼 카드와 경쟁하기 위해 하이엔드 시장을 위한 베가(Vega) GPU 시리즈를 출시했으며, Titan V와 마찬가지로 HBM2를 특징으로 한다.
2019년, AMD는 그래픽 코어 넥스트(GCN) 마이크로아키텍처/명령어 세트의 후속 제품인 RDNA를 출시했으며, 첫 제품은 Radeon RX 5000 시리즈 비디오 카드였다.[51] AMD는 하드웨어 가속 광선 추적을 지원하는 RDNA 2 그래픽 카드인 Radeon RX 6000 시리즈를 공개했다.[52] 2020년 말에 출시된 이 제품 시리즈는 RX 6800, RX 6800 XT 및 RX 6900 XT로 구성되었다.[53][54] Navi 22를 기반으로 하는 RX 6700 XT는 2021년 초에 출시되었다.[55]
플레이스테이션 5와 엑스박스 시리즈 X 및 시리즈 S는 2020년에 출시되었으며, 둘 다 RDNA 2 마이크로아키텍처 기반 GPU를 사용한다.[56][57][58]
DirectX 10세대 이후의 GPU는 통합형 셰이더 아키텍처를 기반으로 설계되었으며, 인텔 GMA 등 일부를 제외하고는 GPGPU에도 대응한다.
2. 6. 2020년대
2020년대에 GPU는 병렬 처리가 용이한 문제, 예를 들어 신경망을 대규모 언어 모델에 필요한 방대한 데이터 세트로 훈련하는 데 점점 더 많이 사용되고 있다. 일부 최신 워크스테이션 GPU의 특수 처리 코어는 4×4 행렬 곱셈 및 나눗셈을 사용하여 상당한 FLOPS 성능 향상을 제공하기 때문에 심층 학습에 전용으로 사용된다. 일부 응용 프로그램에서는 하드웨어 성능이 최대 128 TFLOPS에 달한다.[59] 이러한 텐서 코어는 소비자용 카드에도 등장할 것으로 예상된다.[60]많은 회사들이 여러 브랜드 이름으로 GPU를 생산해 왔다. 2009년에는 인텔, 엔비디아(Nvidia), AMD/ATI가 각각 49.4%, 27.8%, 20.6%의 시장 점유율로 시장을 선도했다. 또한 매트록스(Matrox)[61]도 GPU를 생산한다. 현대 스마트폰은 주로 퀄컴(Qualcomm)의 아드레노(Adreno) GPU, 이매지네이션 테크놀로지스(Imagination Technologies)의 파워VR(PowerVR) GPU, 그리고 ARM의 말리 GPU를 사용한다.
NVIDIA의 GPU는 GeForce 8(G80) 시리즈 이후 통합형 셰이더 아키텍처를 채택하여 워프 단위(32개의 하드웨어 스레드)로 병렬 처리를 실행하는 것이 특징이다.[126][127] NVIDIA의 GT200 아키텍처에서는 단정밀도 CUDA 코어(SPCC)와 배정밀도 유닛(DPU)이 분리되어 있었지만,[128] Fermi에서는 단정밀도 CUDA 코어 16개를 2개의 그룹으로 묶어 배정밀도 연산기 16개로 간주하여 실행한다.[129]
3. 그래픽 가속기
그래픽 가속기는 그래픽 렌더링에 흔히 사용되는 특수한 수학 명령을 포함하는 맞춤식 마이크로칩이다. 이러한 마이크로칩이 효율적으로 동작하면 그래픽 가속기 또한 효율적으로 처리된다. 이들은 주로 3차원 게임이나 고사양 3차원 렌더링에 주로 쓰인다. 그래픽 처리 장치는 수많은 그래픽 기본 기하 명령을 담고 있어 호스트 CPU를 통해 화면에 표시하는 것보다 훨씬 더 빠르게 그리기를 처리할 수 있다.
초기 2차원 컴퓨터 그래픽스에 가장 흔히 쓰이는 명령들은 비트 블릿 명령, 또 RasterOp(블리터(blitter)라 불리는 특수한 하드웨어에 일반적으로 쓰임)를 사용하는 여러 개의 비트맵 패턴 혼합 명령이었는데, 이 명령들은 텍스처 매핑에 주로 사용되었다. 또한 사각형, 삼각형, 원형, 호 등의 도형을 그리는 명령도 포함되었다. 이후의 그래픽 처리 장치들은 3차원 컴퓨터 그래픽스의 처리를 지원하기 위해 도형의 회전, 평행이동, 좌표 변환 등의 기하학적 명령이 추가되었다.
최신 그래픽 처리 장치들은 픽셀 셰이더, 버텍스 셰이더, 수퍼샘플링, 색 공간 변환 등의 복잡하고 다양한 명령을 지원하며, 디지털 영상의 재생을 가속하는 기능도 포함하고 있다. 이 명령의 많은 부분은 개발자가 직접 다룰 수 있도록 프로그래밍 가능한 인터페이스를 가진다.
4. GPU 형태
1995년 이후 제작된 대부분의 GPU는 디지털 비디오 재생에 중요한 YUV 색 공간과 하드웨어 오버레이를 지원하며, 2000년 이후 제작된 많은 GPU는 움직임 보상 및 iDCT와 같은 MPEG 기본 요소도 지원한다.[150][151] GPU 가속 비디오 디코딩은 "GPU 지원 비디오 디코딩", "GPU 하드웨어 가속 비디오 디코딩" 등으로 불린다.
최근 그래픽 카드는 카드에서 고화질 비디오를 디코딩하여 중앙 처리 장치의 부하를 줄인다. GPU 가속 비디오 디코딩을 위한 일반적인 API는 Microsoft Windows의 경우 DxVA이고, Linux 기반 및 유닉스 계열 운영 체제의 경우 VDPAU, VAAPI, XvMC, XvBA이다.
GPU는 크게 칩셋에 탑재된 온보드 그래픽 프로세서 및 CPU 내장 GPU (통합 GPU, integrated GPU: iGPU)와 단일 칩 형태의 GPU (독립형 GPU, discrete GPU: dGPU)로 나뉜다. 통합 GPU는 오피스 프로그램 및 인터넷 접속 등 고성능이 필요 없는 용도나, 저가격이 요구되는 업무용 단말기, 저발열·저소비 전력이 요구되는 노트북 등에 주로 사용된다. 반면, 독립형 GPU는 고성능을 요구하는 작업에 사용된다.
통합 GPU는 비디오 카드와 달리 전용 VRAM을 가지고 있지 않고, 메인 메모리의 일부를 GPU에 할당하는 통합 메모리 아키텍처가 채택되어 있다. AMD APU는 HSA의 hUMA를 지원함으로써 CPU와 GPU의 메모리 공간을 하드웨어 레벨에서 통합하고 있다.[156][157]
GPU 단일 제품은 보급형부터 고급형까지 다양하며, 게임 용도를 상정한 소비자용과 업무 용도를 상정한 전문가/기업용 등으로 차별화되어 있다. 전용 외장 박스에 그래픽 카드를 장착하고, 썬더볼트와 같은 고속 인터페이스 규격으로 PC에 연결하는 형태(외부 GPU, external GPU: eGPU)도 등장하고 있다.[160][161][162]
GPU는 특정 용도, 실시간 3D 그래픽 또는 기타 대량 계산을 위해 설계된다.
| 종류 | 예시 |
|---|---|
| 게임 | 지포스 GTX, RTX, 엔비디아 타이탄, 라데온 HD, R5, R7, R9, RX, 베가 및 나비 시리즈, 라데온 VII, 인텔 아크 |
| 클라우드 게임 | 엔비디아 GRID, 라데온 스카이 |
| 워크스테이션 | 엔비디아 쿼드로, 엔비디아 RTX, AMD 파이어프로, AMD 라데온 프로, 인텔 아크 프로 |
| 클라우드 워크스테이션 | 엔비디아 테슬라, AMD 파이어스트림 |
| 인공지능 학습 및 클라우드 | 엔비디아 테슬라, AMD 라데온 인스팅트 |
| 자율 주행 자동차 | 엔비디아 드라이브 PX |
GPU와 유사한 명칭으로 '''Visual Processing Unit'''(VPU)가 있다. “VPU”는 3D랩스(3Dlabs) Inc.가 와일드캣 VP 발표 시에 명명했다.[152] 인텔은 2019년부터 이미지 인식 등 컴퓨터 비전 처리에 특화된 프로세서로 비전 프로세싱 유닛(VPU)이라는 명칭을 사용하고 있다.[154]
4. 1. 용어
개인용 컴퓨터(PC)에는 크게 두 가지 형태의 GPU가 있다.[70]- '''전용 그래픽 카드''': '디스크리트(discrete)'라고도 한다.
- '''내장 그래픽스''': '공유 그래픽스 솔루션', '내장 그래픽 프로세서(integrated graphics processors, IGP)', '통합 메모리 아키텍처(unified memory architecture, UMA)'라고도 한다.
NEC μPD7220는 최초로 단일 대규모 집적(LSI) 집적 회로 칩으로 개인용 컴퓨터 그래픽 디스플레이 프로세서를 구현한 제품이다.[9]
4. 2. 전용 그래픽 카드
''전용 그래픽 처리 장치(GPU)''는 컴퓨터의 주 시스템 메모리가 아닌 GPU 전용으로 할당된 RAM을 사용한다. 이 RAM은 일반적으로 그래픽 카드의 예상되는 직렬 작업량에 맞춰 특별히 선택된다(GDDR 참조).전용 GPU가 장착된 그래픽 카드는 일반적으로 PCI Express(PCIe) 또는 AGP와 같은 확장 슬롯을 통해 마더보드와 인터페이스된다. 마더보드가 업그레이드를 지원하는 경우, 일반적으로 상대적으로 쉽게 교체하거나 업그레이드할 수 있다. 일부 그래픽 카드는 여전히 PCI 슬롯을 사용하지만, 대역폭이 너무 제한적이어서 일반적으로 PCIe 또는 AGP 슬롯을 사용할 수 없는 경우에만 사용된다.
3dfx의 스캔라인 인터리브, Nvidia의 SLI 및 NVLink, AMD의 CrossFire와 같은 기술을 사용하면 여러 GPU가 단일 화면에 이미지를 동시에 그릴 수 있으므로 그래픽에 사용할 수 있는 처리 성능이 향상된다. 그러나 이러한 기술은 점점 드물어지고 있는데, 대부분의 사용자가 감당할 수 없기 때문에 대부분의 게임이 여러 GPU를 완전히 사용하지 않기 때문이다.[72][73][74] 여러 GPU는 여전히 슈퍼컴퓨터(Summit과 같은)에서, 워크스테이션에서 비디오 가속(여러 비디오를 동시에 처리)[75][76][77] 및 3D 렌더링[78], VFX[79], GPGPU 작업량 및 시뮬레이션[80], 그리고 AI에서 학습 속도 향상을 위해 사용된다. Nvidia의 DGX 워크스테이션 및 서버, Tesla GPU, Intel의 Ponte Vecchio GPU 라인업이 그 예이다.
4. 3. 내장 그래픽스
통합 그래픽 처리 장치(IGPU)는 전용 그래픽 메모리 대신 컴퓨터 시스템 RAM의 일부를 사용하며, 흔히 통합 그래픽, 공유 그래픽 솔루션, 통합 그래픽 프로세서(IGP) 또는 통합 메모리 아키텍처(UMA)라고 불린다. IGP는 마더보드의 노스브리지 칩셋의 일부로 통합되거나, CPU와 동일한 다이에 통합될 수 있다(AMD APU 또는 인텔 HD 그래픽과 같이).[181] 특정 마더보드에서는 AMD의 IGP가 전용 사이드포트 메모리를 사용할 수 있는데, 이는 GPU에서 사용하기 위해 전용으로 할당된 고성능 메모리의 별도의 고정 블록이다.
2007년 초 기준으로 통합 그래픽이 장착된 컴퓨터는 모든 PC 출하량의 약 90%를 차지했다. 이러한 방식은 전용 그래픽 처리 방식보다 구현 비용이 저렴하지만 성능은 떨어지는 경향이 있었다. 과거에는 통합 처리가 3D 게임이나 그래픽 집약적인 프로그램에는 적합하지 않다고 여겨졌지만, Adobe Flash와 같은 그래픽 집약도가 낮은 프로그램은 실행할 수 있었다. 2004년경 SiS와 VIA에서 제공한 IGP가 그러한 예이다. 그러나 AMD APU 및 인텔 그래픽 기술(HD, UHD, Iris, Iris Pro, Iris Plus 및 Xe-LP)과 같은 최신 통합 그래픽 프로세서는 2D 그래픽 또는 부하가 적은 3D 그래픽을 처리할 수 있다.
GPU 연산은 메모리 집약적이기 때문에, 통합 처리는 전용 비디오 메모리가 거의 없거나 전혀 없기 때문에 상대적으로 느린 시스템 RAM을 두고 CPU와 경쟁할 수 있다. IGP는 최대 128GB/s의 대역폭을 가진 시스템 메모리를 사용하는 반면, 개별 그래픽 카드는 VRAM과 GPU 코어 사이에 1000GB/s가 넘는 대역폭을 가질 수 있다. 이 메모리 버스 대역폭은 GPU 성능을 제한할 수 있지만, 멀티 채널 메모리는 이러한 결점을 완화할 수 있다. 이전 통합 그래픽 칩셋에는 하드웨어 변환 및 조명이 없었지만, 최신 칩셋에는 포함되어 있다.
통합 그래픽이 포함된 최신 AMD 프로세서, 통합 그래픽이 포함된 최신 인텔 프로세서, 애플 프로세서, PS5 및 Xbox Series 등을 포함한 "통합 메모리 아키텍처"(UMA) 시스템에서는 CPU 코어와 GPU 블록이 동일한 RAM 풀과 메모리 주소 공간을 공유한다. 이를 통해 시스템은 메모리 요구 사항에 따라 CPU 코어와 GPU 블록 간에 메모리를 동적으로 할당할 수 있으며(RAM의 큰 정적 분할이 필요하지 않음), 제로 복사 전송 덕분에 물리적으로 분리된 RAM 풀 간의 버스를 통해 데이터를 복사하거나 단일 물리적 RAM 풀의 별도 주소 공간 간에 데이터를 복사할 필요가 없어지므로 데이터 전송 효율이 향상된다.
4. 4. 하이브리드 그래픽스 처리
하이브리드 GPU는 저가형 데스크톱 및 노트북 시장에서 통합 그래픽과 경쟁하는 새로운 계열의 GPU이다. ATI의 하이퍼메모리와 엔비디아의 터보캐시가 가장 일반적인 구현 방식이다.하이브리드 그래픽 카드는 통합 그래픽보다는 비싸지만, 전용 그래픽 카드보다는 훨씬 저렴하다. 시스템 메모리를 공유하며, 시스템 RAM의 높은 지연 시간을 보완하기 위해 소량의 전용 메모리 캐시를 갖추고 있다. PCI Express 기술을 통해 최대 768MB의 RAM을 사용할 수 있다고 광고하지만, 이는 시스템 메모리와 공유 가능한 용량을 의미한다.
4. 5. 스트림 처리 및 범용 목적 GPU (GPGPU)
GPGPU(범용 그래픽 처리 장치)는 스트림 프로세서의 수정된 형태로, 컴퓨트 커널 실행에 자주 사용된다. 이는 현대 그래픽 가속기의 셰이더 파이프라인의 강력한 연산 능력을 범용 연산 능력으로 전환한 것이다. 대규모 벡터 연산이 필요한 특정 애플리케이션에서 GPGPU는 기존 CPU보다 훨씬 높은 성능을 제공할 수 있다.[90][91]GPU 기반 고성능 컴퓨터는 대규모 모델링에서 중요한 역할을 하며, 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터 10대 중 3대는 GPU 가속을 활용한다.[92]
GPU는 C 프로그래밍 언어에 대한 API 확장 기능(예: OpenCL, OpenMP)을 지원한다. AMD의 AMD APP SDK와 엔비디아의 CUDA와 같이 각 GPU 공급업체는 자사 카드에서만 작동하는 자체 API를 도입하기도 했다. 이를 통해 컴퓨트 커널이라는 함수를 GPU의 스트림 프로세서에서 실행할 수 있다.
2005년부터 진화 컴퓨팅, 특히 적합도 평가를 가속화하는 유전 프로그래밍에 GPU가 제공하는 성능을 사용하는 데 관심이 높아졌다.
AMD의 GPU는 Radeon HD 2000~HD 6000 시리즈에서 VLIW(Very Long Instruction Word)를 채택했지만, HD 7000 시리즈 이후부터는 그래픽뿐 아니라 GPGPU에서도 성능을 발휘하도록 비VLIW 방식의 SIMD(Single Instruction, Multiple Data)와 스칼라 연산 유닛으로 구성된 GCN(Graphics Core Next) 아키텍처를 채택하고 있다.[135] AMD GPU는 Wavefront 단위(64개의 하드웨어 스레드)로 병렬 처리 실행을 하는 것이 특징이다.
AMD GPU의 주요 구성 요소는 다음과 같다:
4. 6. 외부 GPU (eGPU)
외부 GPU(eGPU)는 컴퓨터 케이스 밖에 설치하는 그래픽 처리 장치로, 외장 하드 드라이브와 비슷하다. 외장 그래픽 처리 장치는 주로 노트북 컴퓨터에 사용된다. 노트북은 보통 충분한 RAM과 강력한 중앙 처리 장치(CPU)를 갖추고 있지만, 강력한 그래픽 처리 장치가 없는 경우가 많다. 대신 성능은 낮지만 전력 효율이 높은 내장 그래픽 칩을 사용한다. 내장 그래픽 칩은 비디오 게임, 비디오 편집, 3D 애니메이션/렌더링 등 그래픽 작업에는 성능이 부족할 수 있다.이러한 이유로 노트북의 외부 버스에 GPU를 연결하는 것이 좋다. PCI 익스프레스는 이 목적으로 사용되는 유일한 버스이다. 예를 들어 익스프레스카드 또는 mPCIe 포트(PCIe ×1, 최대 5 또는 2.5 Gbit/s), 썬더볼트 1, 2 또는 3 포트(PCIe ×4, 최대 10, 20 또는 40 Gbit/s), 썬더볼트 호환 USB4 포트, OCuLink 포트 등이 사용될 수 있다. 이러한 포트는 특정 노트북에서만 사용할 수 있다.[95][96] eGPU 케이스에는 자체 전원 공급 장치(PSU)가 포함되어 있는데, 이는 고성능 GPU가 수백 와트의 전력을 소비할 수 있기 때문이다.[97]
최근에는 외부 GPU에 대한 공식적인 지원이 늘어나고 있다. Apple이 macOS High Sierra 10.13.4에서 외부 GPU를 지원하기 시작한 것이 중요한 예시이다.[98] HP, Razer 등 주요 하드웨어 업체들도 Thunderbolt 3 eGPU 케이스를 출시했다.[99][100]
5. GPU의 임베디드 진행
그래픽 카드의 저전력 및 소형화는 주요 그래픽 처리에 특화된 여러 하드웨어 구성물로 이루어진 파이프라인을 프로그램이 가능한, 추상화되고 통합된 로직 처리의 그래픽스 파이프라인으로 전환하는 것으로 실현되었다. 이것은 스마트폰에 사용되는 이미지네이션 테크놀로지의 파워VR처럼 PC에서 사용되는 손바닥만한 크기의 하드웨어를 스마트폰에서 사용되는 손톱 크기의 물리적인 사이즈로 전환을 가능하게 하였는데, 이러한 초소형화와 DC 5V 전후의 초저전력 사용에 필수적인 역할을 하였다.[180]
주요 그래픽 처리 영역은 다음과 같다.
6. GPU 개발 기업
엔비디아(Nvidia), AMD, 인텔은 2009년에 각각 49.4%, 27.8%, 20.6%의 시장 점유율을 기록하며 GPU 시장을 주도했다.[61] 2010년 엔비디아는 아우디와 협력하여 테그라 GPU를 자동차 대시보드에 탑재, 자율 주행 기술 발전에 기여했다.[39][40]
AMD는 2010년 Radeon HD 6000 시리즈를 출시하고, 2011년에는 모바일 기기용 6000M 시리즈 독립형 GPU를 출시했다.[41] 2019년에는 그래픽 코어 넥스트(GCN) 마이크로아키텍처의 후속 제품인 RDNA를 출시하고, Radeon RX 5000 시리즈 비디오 카드에 적용했다.[51] 2020년 말에는 하드웨어 가속 광선 추적을 지원하는 RDNA 2 그래픽 카드인 Radeon RX 6000 시리즈를 공개했다.[52]
엔비디아는 2012년에 케플러 계열 그래픽 카드를 출시했으며, 이는 엔비디아 600 및 700 시리즈 카드에 사용되었다.[42] 이후 맥스웰 계열, 2016년 파스칼 마이크로아키텍처 기반의 지포스 10 시리즈 카드를 출시했다.[48] 2018년에는 RTX 20 시리즈 GPU를 출시하여 광선 추적 코어를 추가, 조명 효과 성능을 개선했다.[49]
인텔은 1990년대 후반부터 GPU 시장에 진출했으나, 초기에는 경쟁력이 높지 않았다. 그러나 CPU에 인텔 그래픽 기술 GPU를 통합하면서 시장 점유율을 확보했다. 2022년에는 아크 시리즈를 통해 독립형 GPU 시장에 재진출하여 경쟁에 합류했다.
PS4와 엑스박스 원은 2013년에 출시되었으며, 둘 다 AMD의 Radeon HD 7850 및 7790을 기반으로 하는 GPU를 사용한다.[43] 플레이스테이션 5와 엑스박스 시리즈 X 및 시리즈 S는 2020년에 출시되었으며, RDNA 2 마이크로아키텍처 기반 GPU를 사용한다.[56][57][58]
이 외에도 매트록스(Matrox)[61], 3dfx(2000년 엔비디아에 인수), 3Dlabs, ALi, ArtX(ATI에 인수), ATI 테크놀로지스(ATI Technologies) (2006년 AMD에 인수됨[165]), Cirrus Logic, 칩스 앤 테크놀로지스(Chips and Technologies) (1997년 인텔에 인수됨[166]), Evans & Sutherland, 헥사곤, NEC, NeoMagic, Number Nine Visual Technology(1999년 S3에 인수), 마이크론, S3 그래픽스(S3 Graphics), SGI(1999년 엔비디아에 매각[171]), SiS, ST마이크로일렉트로닉스, XGI 테크놀로지, Tseng Labs(ATI에 매각), Weitek(록웰에 인수), XGI 테크놀로지, 아이오데이터[172], 소니 인터랙티브 엔터테인먼트, 허드슨 등이 GPU를 개발했다.
현대 스마트폰은 주로 퀄컴(Qualcomm)의 아드레노(Adreno) GPU, 이매지네이션 테크놀로지스(Imagination Technologies)의 파워VR(PowerVR) GPU, 그리고 ARM의 말리 GPU를 사용한다.
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【特別企画】歴代家庭用ゲーム機を軒並み分解――TGS2008「ゲーム科学博物館」より（7ページ目） | 日経 xTECH（クロステック）
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後藤弘茂のWeekly海外ニュース - PLAYSTATION 3のグラフィックスエンジンRSX
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PS Vitaで採用されるGPUコア「PowerVR SGX543MP4＋」のImaginationに聞く「＋」の意味。PowerVRは次世代ゲーム機への採用も目指す!? - 4Gamer.net
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【西川善司】Wii UのGPU性能と新型コントローラに秘められた「コアゲーマー求心」の裏戦略 - 4Gamer.net
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［CEDEC 2012］3DSはまだその実力を100％発揮できていない!? 3DSが搭載するGPUコア「PICA200」の詳細 - 4Gamer.net
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後藤弘茂のWeekly海外ニュース - NVIDIAチーフ・サイエンティスト インタビュー(下)
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NVIDIA Gaming Technology Powers Nintendo Switch | NVIDIA Blog
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【後藤弘茂のWeekly海外ニュース】PlayStation 4のAPUアーキテクチャの秘密 - PC Watch
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CreativeからGeForce 256搭載ビデオカードが登場 - AKIBA PC Hotline! 1999年10月9日号
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5G時代のエッジに求められるVPUとは？米インテル担当者に聞く | 日経クロステック（xTECH）
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Intel、次世代のMeteor LakeにVPUを統合予定。第13世代CoreでLE Audio対応も - PC Watch
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【後藤弘茂のWeekly海外ニュース】CPUとGPUのメモリ空間を統一するAMDの「hUMA」アーキテクチャ - PC Watch
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【後藤弘茂のWeekly海外ニュース】AMD Kaveriのメモリアーキテクチャと今後のAPU進化 - PC Watch
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インテルとATIが広範なクロスライセンス契約──RADEON統合チップセット登場も
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SGI graphics team moves to Nvidia
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1991年 もっと大きい画面が欲しい よりリアルに高速描画したい(アイ・オー・データ機器)
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Computer Shopper: The Right GPU for You
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엔비디아, 인텔 눌렀다…美 반도체 시총 1위 등극
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엔비디아 시총 300조 돌파, 미래 반도체 총아로 떠오르다.
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Why Do Dedicated Game Consoles Exist?
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모바일 GPU 동향(ETRI-전자통신동향분석, 2013,한진호,변경진,엄낙웅)
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GA-890GPA-UD3H overview
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DIY eGPU on Tablet PC's: experiences, benchmarks, setup, ect...
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