그래픽카드(GPU)의 작동원리

그래픽 카드(GPU)

 

GPU(그래픽 처리 장치) 또는 그래픽 카드는 컴퓨터 디스플레이에서 이미지와 그래픽을 렌더링하는 데 필요한 계산 요구를 처리하도록 설계된 전자 부품입니다. GPU는 CPU(중앙 처리 장치)와 함께 작동하여 시각 데이터의 처리를 가속화하고 CPU의 작업을 오프로드하여 부드럽고 시각적으로 풍부한 그래픽을 실시간으로 생성합니다. 3D그래픽(특히 게임에서 많이 사용된다) 의 실시간 렌더링이란 이 그래픽 카드의 담당하는 영역입니다.

이 글에서는 PC에서 그래픽 카드가 어떻게 작동하는지, 그리고 화면에 이미지를 렌더링하는 데 어떤 역할을 하는지 원리를 살펴보겠습니다.

 

 

그래픽 카드의 구성 요소

 

그래픽 카드는 기본적으로 GPU 칩, VRAM(비디오 랜덤 액세스 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), 전원 공급 장치 커넥터 및 냉각 시스템과 같은 기타 지원 구성 요소가 포함된 회로 기판입니다.

- GPU: GPU는 그래픽 카드의 중앙 처리 장치로, 복잡한 수학적 계산을 수행하여 이미지와 그래픽을 렌더링하는 역할을 담당합니다.

- RAM: 그래픽 카드의 RAM(랜덤 액세스 메모리)은 GPU와 컴퓨터의 주 메모리 사이의 버퍼 역할을 합니다. GPU가 자주 사용하는 데이터에 빠르게 액세스하여 지연 시간을 줄이고 성능을 향상시킬 수 있습니다.

- VRAM: VRAM(비디오 랜덤 액세스 메모리)은 이미지 데이터와 텍스처를 저장하는 그래픽 카드의 전용 비디오 메모리입니다. VRAM은 일반 시스템 RAM보다 빠르며 그래픽 렌더링 전용으로 사용됩니다.

- 전원 공급 장치 커넥터(Power): 그래픽 카드는 효율적으로 작동하기 위해 많은 전력이 필요하므로 카드에 필요한 전력을 공급하는 전용 전원 공급 장치 커넥터가 함께 제공됩니다.

- 냉각 시스템(Cooling System): 그래픽 카드는 작동 중에 많은 열을 발생시키므로 열을 방출하고 GPU 및 기타 구성 요소를 안전한 작동 온도로 유지하기 위해 냉각 시스템이 장착되어 있습니다.

 

그래픽 카드 작동 방식(3D)

 

그래픽 카드는 CPU의 지시를 받아 처리하여 컴퓨터 디스플레이에 이미지와 그래픽을 렌더링하는 방식으로 작동합니다. 이미지를 렌더링하는 과정에는 지오메트리 처리, 래스터화, 음영 처리 및 텍스처링 등 여러 단계가 포함됩니다.

- 지오메트리 처리: 렌더링 프로세스의 첫 번째 단계는 렌더링해야 하는 장면이나 개체의 3D 모델을 만드는 것입니다. CPU는 오브젝트의 위치, 크기, 모양에 대한 지침을 GPU에 전송하고 GPU는 이 지침을 사용하여 오브젝트의 3D 모델을 생성합니다.

- 래스터화: 3D 모델이 생성되면 GPU는 이를 작은 삼각형으로 나누고 삼각형 내 각 픽셀의 색상과 음영을 계산합니다. 이 프로세스를 래스터화라고 합니다.

 

- 셰이딩: 셰이딩은 래스터화 프로세스에서 생성된 삼각형의 픽셀에 색상과 텍스처를 추가하는 프로세스입니다. GPU는 장면의 조명 조건과 오브젝트의 텍스처를 기반으로 각 픽셀의 색상과 음영을 계산합니다.

 

- 텍스처링: 텍스처링에는 지오메트리 처리 단계에서 생성된 3D 모델에 텍스처 맵을 적용하는 작업이 포함됩니다. 텍스처 맵은 3D 오브젝트의 표면에 적용되어 나무나 금속과 같은 실제 재질처럼 보이도록 하는 2D 이미지입니다.

 

렌더링 프로세스가 완료되면 GPU는 결과 이미지 데이터를 컴퓨터의 디스플레이 출력으로 전송하여 디지털 이미지 데이터를 화면에서 볼 수 있는 광학 스크린으로 변환합니다.

 

2D 작동방식

 

그래픽 카드는 주로 3D 그래픽 렌더링을 위해 설계되었지만 2D 그래픽도 처리할 수 있습니다. 2D 그래픽은 3D 그래픽보다 간단하며 렌더링 프로세스가 계산에 덜 집약적입니다.

 

그래픽 카드의 2D 그래픽 작동 방식은 다음과 같습니다:

1. CPU가 그래픽 카드에 2D 이미지나 텍스트를 화면에 그리라는 명령을 보냅니다.

 

2. 그래픽 카드는 이 명령을 수신하여 GPU 칩에서 처리합니다.

 

3. GPU 칩은 렌더링해야 하는 2D 그래픽의 비트맵 이미지를 생성합니다. 비트맵은 이미지 또는 텍스트를 나타내는 2D 픽셀 배열입니다.

 

4. 그런 다음 GPU는 비트맵 데이터를 그래픽 카드의 비디오 메모리로 보냅니다.

 

5. 비디오 메모리는 비트맵 데이터를 저장하고 이를 디스플레이 출력으로 보냅니다.

 

6. 디스플레이 출력은 디지털 비트맵 데이터를 화면에서 볼 수 있는 광학 스크린으로 변환합니다.

 

2D 그래픽을 렌더링하는 이 과정은 3D 그래픽을 렌더링하는 과정에 비해 비교적 간단합니다. 그러나 그래픽 카드는 2D 그래픽이 결함이나 아티팩트 없이 원활하게 표시되도록 하는 데 필수적인 역할을 합니다.

그래픽 카드의 비디오 메모리도 2D 그래픽 렌더링에 매우 중요합니다. GPU와 디스플레이 출력 사이에 고속 버퍼를 제공하여 GPU가 비트맵 데이터에 빠르게 액세스하여 디스플레이 출력으로 전송할 수 있도록 합니다.

 

결론

 

 

그래픽 카드는 풍부하고 시각적으로 멋진 그래픽을 실시간으로 렌더링할 수 있게 해주는 최신 PC의 필수 구성 요소입니다. 특히 게임이나 멀티미디어 프로그램(VR, AR 등)을 멋지게 구현하기 위해서 첫번째로 고려해야 할 사양입니다.

 

그래픽 카드는 CPU와 함께 작동하여 시각 데이터의 처리를 가속화하고 CPU의 작업을 오프로드하여 더 부드럽고 반응성이 뛰어난 그래픽을 제공합니다. 그래픽 카드의 작동 방식을 이해하면 필요에 맞는 카드를 선택하고 게임 및 시각적 경험을 최대한 활용할 수 있습니다.

 

그래픽 카드는 주로 3D 그래픽 렌더링을 위해 설계되었지만 2D 그래픽도 쉽게 처리할 수 있습니다. 그래픽 카드는 2D 그래픽이 결함이나 아티팩트 없이 원활하게 표시되도록 하는 데 필수적인 역할을 하며, 그래픽 카드의 비디오 메모리는 2D 그래픽을 효율적으로 렌더링하는 데 결정적인 역할을 합니다.

 

최근에는 3D게임제작도 유니티와 같은 엔진을 사용해서 쉽게 만들 수 있습니다. 그래픽 카드의 성능이 올라간 만큼 이를 활용할 수 있는 소프트웨어의 제작도 활발합니다. 그래픽 카드의 작동방식을 이해할 수 있다면  3D 그래픽과 동영상을 생성하는 멀티미디어 콘텐츠의 원리를 알 수 있고 응용하는데 도움이 될 것 입니다.