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[번역] One Apple GPU, one giant leap in graphics for iPhone 8 Mac과 iPhone


최근 애플이 Imagination사의 GPU를 2년쯤 후 부터는 더이상 사용하지 않기로 발표한 후 관련 기사가 나오는대로 읽어보고 있습니다. 제가 자주 가는 사이트 중 하나인 AppleInsider에서 읽어볼 만한 기사가 나왔길래 전문을 번역해 봅니다. 제 전문분야가 번역이 아니다보니 의역 및 번역과정에서의 생략이 있을 수 있음을 양해 부탁드립니다. 




----------------------- 이하 번역 ----------------------- 

하나의 애플 GPU, 아이폰8을 위한 그래픽 분야에서의 커다란 도약
By Daniel Eran Dilger

애플은 자신들만의 GPU 구조를 설계하고 있다, 하지만 왜? 단순히 비용 절감이 동기가 되었다기 보다는, 많은 증거들이 10년전 iOS의 등장과 같은 중대한 기술적인 진보가 일어날 시점이 되었음을 가리키고 있다.

비용 절감을 위한것이 아니다.

애플은 적어도 4년동안 GPU 프로젝트를 진행해 왔음이 알려져있다. 2013년 초까지 애플은 올란도 근처에서 AMD에서 일하던 다수의 그래픽 엔지니어들을 뽑아왔고, 당시의 채용공고에는 "GPU 하드웨어 모델링"과 같은 업무가 포함되어 있었다

왜 애플은 아이폰 출시 당시부터 GPU를 공급해오던 영국의 레퍼런스 플랫폼 설계사인 Imagination Technologies의 주식을 이미 가지고 있는 상황에서 자체 GPU 개발팀을 만들었을까? 왜 Imagination사를 완전히 인수하거나 계속해서 그들의 기술을 사용하지 않을까? 

아마도 답의 중심에 비용절감이 있지는 않을 것이다. 애플은 Imagination의 PowerVR GPU에 대해 상대적으로 작은 라이센스 비용을 지불했다. 2016년 회계년도에서 애플은 1570억 달러의 매출을 올린 2억 5천만 대의 기기에 적용된 Imagination사의 기술 사용료로 1억달러 보다 작은 돈을 지불했다. 애플이 GPU를 자체 개발하려면 분명히 매년 1억달러 이상의 연구개발 비용이 들 것이다. 

The Metal GPU

애플이 PowerVR GPU 설계로 부터 벗어나려는 이유를 이해하기 위해서는 2014년 애플이 소개한 그래픽에서의 또 다른 변화를 고려해야한다: 그래픽 작업을 GPU에서 동작시키기 위한 애플 전용의 Metal API(Application Programming Interface)

애플은 이미 범용의 OpenGL 그래픽 API(특히 모바일 쪽의 OpenGL ES)에 깊이 투자했다. Metal을 소개한 이유는 비용을 절감하기 위한 것이라기 보다는, Metal을 통해 애플 기기에 실제 탑재되는 특정 GPU가 지원하는 기능에 대해서만 iOS(macOS와 tvOS도 추후 포함됨)개발을 집중할 수 있기 때문이다. 범용 표준에 따르기 위해 탑재해야 하는 필요없는 코드들을 덜어내고 Metal 코드가 특정 GPU에서 얼마나 효율적으로 동작하는 지에 대해서만 집중할 수 있다.

OpenGL은 다양한 OS 플랫폼과 GPU구조에서 유연하게 동작하도록 설계 되었다. 그 유연성은 애플에게 문제가 되기 시작했는데 그 이유는 성능을 최적화하는데 방해가 되었기 때문이다. Microsoft, Nvidia, AMD 그리고 다른 회사들도 이미 각자의 장점에 집중하기 위해 OpenGL의 대안을 제안했었고 Metal은 애플 플랫폼에서의 대안이다. 

OpenGL과 마찬가지로 Imagination의 PowerVR GPU 전략도 다양한 제품군에 펼쳐져 있는 다양한 고객의 필요를 충족시키는 방향으로 목표가 맞춰져 있었다. 사실 Imagination은 최근 몇 년동안 애플에 대한 의존성을 줄이려고 노력해왔다. 

Imagination의 최신 차세대 Furian mobile GPU 설계는 2년내 등장할 것으로 예상되었다. Furian에 대한 설명에서 주목할 부분은 "AR과 VR 지원을 위한 고성능까지 효율적으로 확장가능한 설계" 그리고 "현재 존재하는 모바일, 태블릿, 차량용 시장에서의 주도적 지위" 다. 

애플의 차기제품에 대한 비밀주의를 고려할 때 Furian에 대한 깊은 이해가 없이도 Imagination의 목표가 애플이 미래에 마주할 문제에 대해서만 고도로 집중되지 않은 것을 깨닫기는 어렵지않다. Imagination이 애플이 추구하는 목표에 대해 자세하게 알지 못하는 것도 이유이고, 공개적으로 애플이외의 다른 고객사의 요구도 충족시키는 방향을 추구해 온 것도 이유이다. 

지난 10년간 PowerVR은 애플에게 OpenGL과 비슷한 정도의 역활을 해 왔다. 하지만 범용성을 추구한 PowerVR의 설계, 그리고 Imagination이 추구하는 독립적인 미래의 설계 방향, 이 두가지는 Imagination이 다른 고객들은 염두에 두고 만들어낸 관련없는 기능들을 버리기 위해 애플이 자체 GPU를 설계함을 의미한다. 애플이 Metal을 소개했을 때와 같은 의도인 것이다. 

The San Francisco GPU

애플이 문제없이 동작하는 현상태의 기술을 자체의 고도로 최적화된 기술로 대체한 또 다른 예는 2014년부터 소개되기 시작한 San Francisco 폰트가 있다. 애플은 특히 애플 와치에 적용할 목적으로 새로운 폰트를 개발했는데 작은 화면에서 글자의 가독성을 높이기 위함이었다. 

그 다음해 애플은 iOS9과 macOS El Capitan에 적용할 San Francisco 폰트의 변형 버전을 소개했다. 그 뒤로 이 폰트의 사용은 애플의 웹 사이트, 광고, 회사 브랜딩부터 키보드에 인쇄되는 폰트에까지 확장됐다. 

애플은 예전에는 다양한 폰트를(주로 Helvetica와 관련된) 각각 다른 목적을 위해 사용했지만, 하나의 자체 제작 폰트 패밀리를 사용하는 것은 기술적인 목적을 만족시키면서도 일관된 외관과 특징을 만들어낸다.  

San Francisco의 특징 중 하나는 Dynamic Type에 대한 지원이 포함되어 있어 텍스트의 크기를 바꿀 때도 가독성을 일관되게 유지하도록 폰트의 weight, leading, tracking을 조절하는 것이다. San Francisco 폰트의 설계는 사용 용도가 작은 화면을 가진 시계부터, 모바일 디바이스와, Mac 데스크탑, 그리고 Apple TV를 이용한 홈시어터까지 넓은 범위에 걸쳐있는 것을 고려한 것이다. 

애플은 GPU를 설계할 때도 유사한 광범위 적용을 고려할 것으로 보인다. San Francisco 폰트와 함께 애플은 가장 필요한 곳에서 부터 PowerVR GPU를 대체 하는 것을 목표로 하고 있는 것이 거의 확실하다: iOS기기들, 애플 와치 그리고 애플 TV. 궁극적으로는 애플이 자체 GPU를 Mac에도 적용할 가능성도 있다.

미래에 애플이 ARM 기반의 CPU를 사용해서 인텔의 x86 프로세서로 부터 벗어날 거라고 말하기 보다는 차라리 애플 자체 GPU를 Mac에 적용할 가능성을 생각하는 것이 보다 설득력 있을지도 모른다. 자체 CPU 보다는 GPU를 적용하는 것이 앱 개발자들에게는 훨씬 적은 작업을 요구할 것이기 때문이다.

애플 자체 GPU가 궁극적으로 Mac에 탑재될 것인가와는 상관없이, 현재 PowerVR GPU를 사용하고 있는 모든 제품에서 Imagination사의 GPU를 덜어내려는 애플의 명백한 의지는 왜 애플이 PowerVR을 대체하려는지에 대한 이유를 설명해준다. 애플 GPU는 Imagination이 해결할 이유가 없는 문제를 해결하기 위해 설계될 것이다. 

가장 확실한 예는 애플 와치이다. 애플 이외에는 300달러 가격대에서 부드러운 유저인터페이스를 가지면서도 애플이 제시한 배터리 제한 조건을 맞춰야하는 "스마트와치 시장"이 없다. 애플와치의 경쟁상대는 사치품의 영역에 속하는 기계식 시계들과 보다 단순한 활동 추적용의 "스마트 밴드"들이 혼재하는 상태이다. 

조그마한 OLED 화면에서도 가독성을 유지할 수 있는 범용 폰트가 필요 없었듯이, Imagination으로서도 웨어러블 장치에서도 잘 동작할 GPU를 설계할 필요가 없었던 것이다. 

San Francisco와 관련된 또 다른 이야기: San Francisco폰트를 거의 모든 곳에 적용하기 전에, 애플은 다른 회사에서도 널리 사용되고 있는 Helvetica 폰트를 사용하고 있었다. 만약 애플이 단순히 Helvetica를 애플와치에 맞게 수정하는 접근을 취했다면 다른 회사들도 비슷한 방법을 사용했을 것이고 소비자는 애플의 차별점을 발견하기 힘들었을 것이다. 

비슷한 관점에서 다른 회사들도 애플과 경쟁하고 있는 제품에서 PowerVR GPU를 사용한다. 주목할만한 예로는 미디어텍의 칩과 PowerVR GPU를 사용하여 만든 아마존의 저가 제품인 Fire TV box가 있다. 

애플은 TV box에서 사용될 GPU를 Imagination과 함께 개발할 수도 있고(이럴 경우 다른회사들도 곧 그 GPU를 사용할 수 있게된다), TV용으로 효과적으로 변형될 수 있는 자체 GPU를 설계할 수도 있다 (이럴 경우 경쟁자들은 이득을 볼 수 없다.)

그들의 데스크탑 인터페이스가 Microsoft로부터 도용되고, Post-PC 유저 인터페이스가 구글로 부터 도용되고 삼성에게 뻔뻔하게 도난당한 것을 경험한 애플의 입장에서는 자신들이 기여한 작업에 의해 경쟁사가 이득을 보지 못하도록 막을 충분한 이유가있다. 




The APFS GPU

현재 애플이 광범위하게 배포하고있는 세번째 기술은 Apple File System (APFS)인데, 작년에 처음으로 발표되어 현재 iOS 10.3(최신버전의 watchOS와 tvOS에도 적용된 것으로 보인다)에는 이미 적용되었고 내년에는 Mac에도 적용될 것으로 예상되고 있다. 

OpenGL과 Helvetica폰트와 마찬가지로 애플이 예전에 쓰던 HFS+ 파일 시스템은 충분히 기능을하고 있고 앞으로 당분간 문제없이 사용될 수도 있을 것이다. 하지만 현재의 기능을 향상시키고 미래에 요구되는 기능을 구현하기 위해서는 몇가지 알려진 문제가 있다. 

Metal과 San Francisco 폰트와 마찬가지로 APFS는 애플와치와 같이 작은 웨어러블 기기들로부터 iPhone, iPads와 Apple TV를 거쳐 데스크탑 Mac에 까지 요구되는 다양한 조건들을 고려하여 충분한 확장성을 가지도록 설계되었다. 

Metal이 OpenGL에서 필요없는 layer를 제거하는데 초점을 맞췄다면, San Francisco 폰트는 애플 제품라인에 걸쳐 독특하게 요구되는 조건을 맞추고 있다. APFS는 다가올 용량의 확장과 추가로 예상되는 요구조건들을 담기위해 HFS+를 대체하는데, 미래를 위해 준비된(future-proofed) 파일 시스템이다. 

마찬가지로 PowerVR의 GPU가 현재 애플 와치, iPhone, iPad, Apple TV등의 제품들에 대해 성능상의 우위를 가져다 주긴 하지만 미래에 필요할 기능에 대비하기위해 애플은 새 GPU를 개발할 깨끗한 토대를 원할것이다. 마치 파일시스템에서 APFS가 그런 역할을 수행한 것과 마찬가지로.

HFS+와 유사하게 PowerVR의 설계는 예전시대의 기술로부터 시작되었다. 최초의 설계는 90년대 중반이었고 모바일에 특화된 설계조차 10년이 더 된 설계를 기반으로 확장한 것이다. Imagination의 "tile-based deferred rending"과 같은 기술은 GPU들 중에 독특한 것이긴 하지만 일정부분 ARM의 Mali GPU나 Intel의 HD 내장 그래픽 엔진과 설계를 공유하는 부분이있다.

2005년부터 모바일 분야의 기술이 얼마나 급격하게 발전했는지를 생각해보면, Imagination사에서 지난 10년이 넘는기간동안 조금씩 발전시켜온 구조보다 그래픽 가속을 위해 보다 효율적인 접근방법이 있을것이라고 상상하는 것은 어렵지 않다. Imagination조차 미래를 위해 보다 급진적인 차세대 셀계를 준비하고 있다는 사실이 이러한 생각을 뒷받침한다. 

The iOS GPU

Imagination사의 Furian이 막 등장하려는 지금이 애플에게도 완전히 새로운 GPU를 등장시켜 현재의 상태를 깨고 그래픽 기능에서 새로운 도약을 이룰 완벽할 시점일지도 모른다.

애플은 십년전에 기술의 발전을 통해 그 당시 출시된지 10년이 넘은 모바일 플랫폼(Palm OS나 윈도우즈 CE등)에 의지하는 대신에, 데스크탑 수준의 프로그램을 구동할 수 있는 macOS를 간소하게 다듬는 것으로 완전히 새로운 수준의 모바일 "슈퍼폰"을 만들어 낼 수 있음을 배웠다. 그 결과가 iOS였다. 

비슷한 방식으로 애플은 그들이 모바일 기기와 운영체제의 필요에 대해 알고 있는 지식을 다음 10년동안 개발될 모바일기기(Mac이나 VR 헤드셋, 자동차등을 포함할 수도 있다)들을 위한 슈퍼 GPU 개발에 적용시킬 수 있을 것이다. 

애플이 포함시킬지도 모르는 새로운 GPU 기능중의 하나는 사진과 같은 현실성을 표현하기위한 실시간 그림자, 반사와 반투명도를 지원하는 ray tracing이 될지도 모른다 - Imagination은 작년에 이 기능에 대한 데모를 보여줬지만 구현하지는 않았다.  모바일 게임의 성능을 보다 강력한 데스크탑 GPU와 동등한 정도로 향상시키는 것과는 별개로 ray tracing과 같은 기술을 추가하는 것은 유려한 애니메이션과 진보된 조명 효과를 통해 유저 인터페이스를 근본적으로 향상시킬 수 있다. 

iOS가 10년전에 경쟁자들과의 격차를 극적으로 벌려놓았던것과 같이 애플의 자체 설계 GPU가 기여할 부분은 많이있다. 파일과 메모리 압축, 파일 암호화, 실시간 영상 필터 및 효과, 머신 러닝, 심지어 JavaScript나 Swift 컴파일 최적화, 웹 가속, iPad에서의 소프트웨어 개발등을 GPGPU를 통해 가속하게 할 수도 있을 것이다.

애플은 A-시리즈 칩에 들어간 카메라 ISP(Image Signal Processor)를 자랑해 왔는데, iPhone 7이 포커싱, 노출, 화이트 밸런스, 노이즈 제거 등을 위해 25밀리초 동안 천억번의 연산을 할 수 있다는 점에 주목하자. 애플은 자체 SoC에 오디오 노이즈 제거로부터 Secure Enclave에 이르는 또다른 가속기를 추가할 수 있을 것이다. 

현재 CPU에서 수행되고 있는 많은 작업들이 보다 다양한 GPGPU 작업수행을 고려하여 특별히 제작된 GPU 코어로 옮겨져서 가속될 수 있거나 CPU-GPU co-processing을 위한 또 다른 새로운 하드웨어가 추가되어 SoC 상에서 CPU, GPU 작업간의 경계가 희미해질 수도 있다.

애플이 모바일 CPU코어와 A-시리즈 칩들의 다른 부분들을 최적화하기 위해 적용했던 많은 고급기술들을 생각하면 애플이 새로운 칩 설계를 통해 모바일 컴퓨팅을 진보시키는데 얼마나 적극적인지 알아채기는 어렵지않다. 그래픽 코어 이외에도 애플은 현재 Dialog사에 의지하고 있는 전력관리를 내재화 하기위해 작업중이며, 아마도 궁극적으로는 현재 Qualcomm과 Intel에 의지하고 있는 모뎀칩조차 자체 제작을 통해 해결하려 할지도 모른다.

Apple can ship new tech

다른 회사들도 각자의 모바일 GPU를 위한 미래 계획을 세우고 있다. Imagination의 Furian 이외에 nVidia에서도 그들의 태블릿과 자동차용 Tegra 칩을 발전시키기를 원하며 퀄컴 또한 자체의 Adreno GPU를 가지고 있다. 삼성은 ARM사의 Mali GPU를 사용한다. 하지만 애플은 GPU에 새 기술을 추가할 때 개발자/고객사들이 그 기술을 받아들일지 말지를 고민하지 않아도 된다는 점에서 차별화된다.

다른 회사들과는 달리 애플은  소프트웨어 업데이트를 통해 이미 팔린 기기에 대해, 또는 대량으로 팔릴것이 확실한 신상품을 통해 새 기술을 빠른 시간안에 수억대의 기기에 확산 시킬 수 있는 독특한 위치에 있다. 
 
2012년에 애플은 빠르게 모바일 기기의 포트를 라이트닝으로 교체했으며 다음 해에는 A7프로세서를 통해 64-bit 앱과 터치아이디를 소개했는데 두 기술은 이미 당연한 것이 되었다. 매년 애플은 80% 이상의 iOS 기기들의 소프트웨어를 최신버전으로 업데이트하고 있으며 앞에서 언급한 Metal, San Francisco 폰트, APFS등의 기술을 이를 통해 확산시켰다. 

애플의 가장 큰 경쟁자는 1년에 3억대 정도의 스마트폰을 판매하는데 그 중 갤럭시 S8과 같은 프리미엄 폰은 단지 4천~4천 5백만대 정도 뿐이다. 나머지 다수의 제품들은 보다 오래된 버전의 안드로이드를 탑재하며 소프트웨어 업데이트를 받지 못한다.

삼성도 새로운 프리미엄 GPU를 설계할 수 있겠지만 팔리는 모델의 다수는 저가형 모델이기 때문에 이를 적용시키는 부분에서는 어려움을 겪을 것이다. 갤럭시 S8 조차 두가지 다른 GPU를 채용하고 있다: 삼성 자체 설계의 Exynos/Mali 버전과 퀄컴의 Snapdragon/Adreno 버전이 그들이다. 삼성은 타이젠 폰이나 갤럭시기어 와치조차 시장에 의미가 있는 수량을 판매하지 못했다. 

Google은 매년 새로운 플랫폼 소프트웨어를 보급하는데 영향력이 약함을 드러냈다. Microsoft조차 무료로 제공하는데다 사용자에게 업데이트를 강제함에도 윈도우즈 10을 널리 보급시키지 못했다. 많은 하드웨어 제조사들도 이런 문턱을 넘지못했는데, Amazon의 Fire Phone, HP의 webOS 실험, nVidia의 Shield, Google의 Nexus Q, Google TV와 Pixel C등이 이러한 예이다.

애플은 전적으로 새로운 GPU 구조를 설계하고 이를 자사의 제품라인에 아주 신속하게 전개할 수 있다. 아마도 iPhone 8,애플 TV5, 애플 와치 3등과 같은 제품을 출시를 통해 이를 올해 안에 마칠지도 모른다. 올해 초에 그랬던 것과 같이 이미 출시된 제품을 새 GPU를 포함한 새 SoC를 통해 업데이트 할 수 있을지도 모른다.

Apple is not afraid to pay more for strategic advancement.

애플은 정기적으로 경쟁사가 따라하기 힘든 고급 기능들을 만들어내기 소프트웨어, 하드웨어, 실리콘 칩 등에 후하게 투자해 왔다. 이는 매년 지속적으로 성공적이고 이익이 되는 하드웨어를 출시함으로써 조단위의 매출을 만들어 내기 때문에 가능한 일이다. 애플은 현재 매년 100억 달러 이상을 R&D에 투자하고 있는데, Nvidia의 경우 1년에 15억 달러 이하를 쓰고 있는 것과 비교해 보라. 

현재 애플을 향한 가장 큰 불만은 아주 적은 수량만 판매되고 있는 고성능 PC인 Mac Pro가 업데이트 되고 있지 않다는 것이다. PC 업계의 다른 회사들은 반대의 문제에 봉착해 있다: 그들이 가지고 있는 것은 제한된 수량만 팔리는 Mac Pro와 같은 고성능 제품과 기술적 진보를 뒷받침해줄 만큼 충분히 판매되지 않는 대량생산 PC들이다. 

애플의 투자에 대한 또 다른 예를 보라. 하드웨어 측면에서 애플은 AuthenTec을 인수하기 위해 3억 5600만 달러를 지불했고 Touch ID를 완벽하게 만들어 사용자들이 믿고 지속적으로 사용할 수 있도록 추가로 R&D에 투자했다. 2010년 Motorola의 Atrix는 AuthenTec센서를 사용하려고 했지만 안정적으로 동작시킬 수 없어 1년 만에 그 기능을 포기했다. 

하드웨어 이외에도 애플은 iOS 프레임워크부터 Xcode 개발툴 및 최종 사용자앱 개발을 위해 소프트웨어에도 수십억 달러를 투자한다. 어떤 모바일 기기 제조회사도 스스로 OS를 개발하고 10년 동안 유지해오지 못했고 이를 통해 이익을 실현하지도 못했다. 

[경쟁사는 잘 못한다는 내용인데 중략합니다...]

하드웨어와 소프트웨어가 만나는 지점인 실리콘에도 애플은 수십억 달러를 투자했다. 2008년부터 애플은 자체 실리콘 칩을 개발하기 시작했고 이는 2010년 A4 칩으로 결실을 맺어 그동안 삼성으로부터 사서 쓰던 칩의 성능을 능가할 수 있었다. 

TI의 OMAP, Nvidia의 Tegar, Qualcomm의 Snapdragon과 같은 칩들은 월등한 컴퓨팅 파워를 통해 안드로이드나 윈도우즈를 애플 기기에 비해 빨리 동작시킬 수 있다고 위협했지만 애플의 자체개발 칩은 대등한 성능을 이루는 정도에 그치지 않고 2013년 64-bit A7을 통해 모바일 업계의 다른 경쟁자들을 멀찍히 제쳐버렸다. TI와 Nvidia는 모바일 폰 비지니스를 포기했고 Qualcomm은 불안정한 상태다. 

지금은 GPU에서 비슷한 발전이 무르익은 시점으로 보인다. 





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