[번역] The Eras of GPU Development

역자.

ACM 시그라프 블로그에 의미 있는 포스팅이 업데이트 되서 공유 해 봅니다.

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지난 25년간의 GPU 트렌스포밍에 대하여 라는 주제에 대한 매우 함축적인 글입니다.

Over 25 Years, GPUs Have Transformed Computing

GPU가 발전하면서 대규모 병렬 컴퓨팅 능력을 통해 무어의 법칙을 뛰어넘는 기하급수적인 처리 능력 향상을 이루었습니다. 이러한 놀라운 성장으로 GPU는 그래픽스를 넘어 광범위한 연산 과제들을 해결할 수 있게 되었습니다. GPU는 여섯 개의 뚜렷한 시대를 거치며 범용 컴퓨팅 엔진으로 꾸준히 진화해 왔으며, 각 세대는 이전 세대의 기반 위에 발전을 거듭해 왔습니다. 이러한 진화 과정은 마이크로소프트의 혁신을 주축으로 하고 크로노스 그룹의 기여가 더해진, 점차 정교해지는 API들에 의해 형성되었습니다.

1970년대부터 1999년까지 그래픽스 하드웨어 개발은 CAD, 시뮬레이션, 특수효과, 게임과 같은 특정 애플리케이션에 집중되었습니다. 더 강력한 처리 능력에 대한 지속적인 수요는 그래픽스 기술의 급속한 발전을 이끌었습니다. 이 시기의 성능 향상은 주목할 만했는데, 연간 약 2.5배의 성장을 달성하여 무어의 법칙이 예측한 연간 1.8배의 트랜지스터 증가를 크게 상회했습니다. 노스캐롤라이나 대학교(UNC)의 존 폴튼 교수가 기록한 바와 같이, 그림 1은 이러한 놀라운 발전 궤적을 보여줍니다.

그림 1. GPU 등장 이전의 그래픽스 성능. 그래픽스 하드웨어는 무어의 법칙보다 더 빠른 속도로 발전해왔다. (데이터 제공: 존 폴튼, UNC 채플힐)

초당 삼각형 수를 성능 지표로 사용했을 때, 그래픽스 하드웨어는 지속적으로 무어의 법칙의 예측을 뛰어넘었습니다. 이러한 놀라운 성장은 하드웨어 설계자들이 효과적으로 활용한 그래픽스 연산의 본질적인 병렬 특성에서 비롯되었습니다. 2001년까지 PC 그래픽스 성능이 매우 크게 향상되어 고가의 전문 그래픽스 시스템들은 더 이상 필요하지 않게 되었습니다.

GPU의 진화는 마이크로소프트의 널리 채택된 그래픽스 API인 DirectX의 발전과 나란히 이루어졌습니다. DirectX는 하드웨어 기능을 개발자들에게 표준화된 방식으로 제공함으로써 GPU 시대를 정의하는 프레임워크가 되었습니다.

마이크로소프트의 표준화 이전에는 하드웨어 제조사들이 자사의 그래픽스 장치를 위한 독점적인 인터페이스를 만들었습니다. 이러한 솔루션들은 하드웨어 기능에 직접적인 접근을 제공했지만, 시장 분열—즉 "API 전쟁"—을 초래했고, 이는 산업 성장을 위협하는 불안정성을 야기했습니다. GPU 발전을 이해하기 위해서는 DirectX의 진화와 그래픽스 처리 표준을 확립하는 데 있어서의 역할을 살펴볼 필요가 있습니다. 그림 2에서 보이듯이 첫 번째 진정한 GPU 시대는 DirectX 7.0과 함께 시작되었습니다.

그림 2. GPU의 진화와 발전의 6가지 시대.

DirectX 7.0(1999년 9월)은 그래픽스 처리에 있어 획기적인 발전을 이루었습니다. 하드웨어 가속 변환 및 조명 연산과 함께 버텍스 버퍼를 위한 직접적인 하드웨어 메모리 할당을 도입했습니다. 이러한 구현은 마이크로소프트의 Direct3D 기술(후에 DirectX로 개명됨)을 크게 향상시켰고, OpenGL에 비해 우위를 차지하게 했습니다. DirectX 7.0은 또한 멀티텍스처 하드웨어 지원을 통해 렌더링을 개선했으며, 프로그래머블 셰이더로 전환되기 전 고정 기능 멀티텍스처 파이프라인의 정점을 보여주었습니다. (그림 3)

그림 3. DirectX 기본 파이프라인.

DirectX 7의 주요 혁신에는 하드웨어 가속 변환 및 조명, 큐브 환경 매핑, 버텍스 블렌딩, 파티클 시스템이 포함되었습니다.

DirectX 8.0(2000년 11월)은 버텍스 및 픽셀 셰이더를 도입하여 개발자들을 수동 하드웨어 상태 관리에서 해방시킴으로써 그래픽스 프로그래밍에 혁명을 일으켰습니다.

DirectX 8.1은 2001년 10월 Windows 2000, XP 및 관련 시스템용으로 출시되었습니다. Direct3D를 업데이트한 DirectX 8.1a가 2002년에 출시되었고, 8.1b(2002년 6월)는 Windows 2000의 DirectShow 문제를 해결했습니다. 마이크로소프트는 또한 DirectPlay를 위해 특별히 DirectX 8.2를 출시했습니다.

Direct3D 9(2002년 12월)는 고급 셰이딩 언어를 개선하고 부동소수점 텍스처, 다중 렌더 타겟, 다중 요소 텍스처, 버텍스 셰이더 텍스처 조회, 고급 스텐실 연산에 대한 지원을 추가했습니다.

DirectX 9.0c(2004년 8월)는 Shader Model 3.0을 도입하여 더욱 정교한 효과를 위해 버텍스와 픽셀 셰이더 기능을 모두 확장했습니다.

Direct3D 10(2006년 11월)은 GPU 내에서 지오메트리 생성을 가능하게 함으로써 기존의 one-vertex-in/one-vertex-out 모델에서 벗어나 그래픽스 처리를 혁신했습니다. Shader Model 4.0은 지오메트리 셰이더를 도입하면서 버텍스와 픽셀 셰이더 기능을 확장했습니다.

DirectX 11(2009년 10월)은 Shader Model 5.0을 도입하여 셰이더 기능을 더욱 향상시키고 테셀레이션과 컴퓨트 프로파일을 도입했습니다. 테셀레이션은 CPU 대신 GPU 리소스를 사용하여 실시간 디테일 향상을 가능하게 했습니다.

테셀레이션 엔진은 저세부 세분화 표면을 GPU에서 직접 상세한 프리미티브로 효율적으로 변환하여 고차 표면을 렌더링에 최적화합니다. 이러한 하드웨어 기반 접근 방식은 모델 복잡도를 증가시키거나 성능을 희생하지 않고도 풍부한 시각적 디테일과 변위 매핑을 제공합니다.

DirectX 12(2015년 7월)는 전례 없는 저수준 하드웨어 접근을 제공하여 멀티스레드 성능을 개선하고 게임에서의 CPU 부하를 감소시켰습니다. AMD의 Mantle API 및 Vulkan 표준과 구조적 요소를 공유했습니다.

DirectX 12의 Shader Model 5.1은 볼륨 타일드 리소스, 셰이더 지정 스텐실, 충돌 감지 개선을 위한 보수적 래스터화, 래스터라이저 순서 뷰, 표준 스위즐, 기본 텍스처 매핑, 압축 리소스, 새로운 블렌드 모드, 효율적인 순서 독립적 투명도를 도입했습니다.

DirectX 12 Ultimate(2020년 11월)는 PC와 콘솔 개발을 통합하면서 고급 컴퓨팅 기술을 도입했습니다. 특히 메시 셰이더와 샘플러 피드백과 같은 혁신은 성능을 저하시키지 않으면서 이미지 품질을 혁신했습니다.

DirectX 세대별 요약은 표 1에 나와 있습니다.

*Vs=버텍스 셰이더, gs=지오메트리 셰이더, hs=헐 셰이더, ps=픽셀 셰이더
표 1. GPU 시대에 따른 API와 OS의 진화*

DirectX 12는 레이 트레이싱으로 확장되었으며, DirectX 12 Ultimate의 메시 셰이더는 GPU를 그래픽스를 위한 진정한 컴퓨팅 플랫폼으로 확립했습니다.

DirectX가 GPU 진화를 이끌어왔지만, 메시 셰이더가 최종 진화 단계는 아닐 수 있습니다. RISC-V 아키텍처를 활용한 새로운 실험들은 기존의 SIMD 설계에서 벗어나 MIMD 기반 GPU의 새로운 부류를 예고하고 있습니다. 인텔의 출시되지 않은 Larrabee가 이러한 접근 방식의 선구자가 될 수 있었지만, 그것은 또 다른 이야기입니다.

GPU와 그 역사에 관심이 있으시다면, ["The History of the GPU"](https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-10968-3) 3권 세트를 살펴보시기 바랍니다.

 

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원문

https://blog.siggraph.org/2025/04/evolution-of-gpus.html/

The Eras of GPU Development - ACM SIGGRAPH Blog