PowerVR

PowerVR칩셋은 3차원 그래픽 렌더링 방식은 타일 렌더링방식, 혹은 타일 기반 렌더링으로 불리우는 방식을 사용한다. 이는 다른 그래픽칩에서 사용하는 일반적인 렌더링 방식과 달리 폴리곤의 스트립데이터나 인덱싱된 구조를 정렬해서 렌더링할 데이터를 빠르게 추출하여 렌더링하는 방식을 사용한다.

기본적으로 3D그래픽의 오브젝트는 XYZ 좌표를 가지게 된다. 이는 사물의 모양을 표현하는 기본 값이기도 하지만, 가상의 공간에서 차지하는 위치를 나타내기도 한다. 때문에 전통적인 3D 렌더링에서 여러 오브젝트를 표현할 경우 Z버퍼라고 불리우는 깊이값의 버퍼링에 순차적으로 데이터를 그려서 사물이 겹쳐보이지 않도록 처리를 한다. 때문에 사물을 그릴 때는 기본적으로 보이는 면을 그린다는 점에서 앞에 사물이 있고 없고는 크게 관계가 없었다. (뷰에 보이지 않는 부분을 렌더링 하지 않는 것과는 다르다) 때문에 Z버퍼에는 오브젝트데이터가 순차적으로 쌓여서 최종 이미지를 표현하게 되고, 이것이 오브젝트 수나 이펙트가 증가함에 따라서 당연히 Z버퍼에 접근하는 횟수가 증가하여 Z버퍼로 인한 병목현상이 벌어지는 결과를 가져오게 된다.

그러나 타일 렌더링 방식에서는 Z버퍼를 가지지 않는 대신 렌더링할 폴리곤의 스트립을 실시간으로 인덱싱하여 그려야 할 부분과 그리지 않아도 될 부분을 타일 단위로 구분지어 그리지 않아도 될 부분을 제거(Hidden Surface Removal)하고 화면에 표시될 부분만을 타일 단위로 쪼개서 렌더링 하게 된다. 이 과정에서 제거된 표면의 렌더링이 삭제되기 때문에 버텍스 처리가 감소하고, 해당 부분에 얹어야 할 텍스쳐맵핑 처리 과정에 감소하게 된다. 쪼개서 렌더링한 타일의 작업이 완료되면 하나로 모아서 하나의 씬을 구성해 출력하는 방식이다.

이러한 특수한 구조 때문에 PowerVR은 전통적 3D렌더링 방식에 비해서 눈에 띌 정도로 낮은 대역폭을 요구한다. 거기에 당연히 그리는 양 자체가 감소하기 때문에 비슷한 화면을 그릴 경우 필요로하는 연산량과 차지하는 메모리 또한 감소하게 되는 구조를 가지고 있다.

또한 이러한 구조는 간단하게 병렬구조를 구축해 타일렌더링을 위한 칩 수를 늘리는 것만으로 성능을 향상시키는 것이 가능하다는 의미이다. 화면을 분할해 렌더링한 후 화면을 합치는 방식으로 렌더링의 파이프라인이 구성되어있기 때문에 그 수를 늘리면 동시에 연산할 수 있는 타일 수가 증가하고 연산력이 증가게 된다는 의미로 이어지기 때문이다. 실제로 PowerVR2 칩이 채용된 게임기 드림캐스트(Dreamcast)의 아케이드판 기판인 나오미의 개량 기판인 나오미2는 PowerVR2 칩을 두 개 장착해 3D그래픽처리 능력을 크게 향상시키는 방식으로 업그레이드를 시킨 게임기였다.

물론 이러한 방법은 처음 그 모습을 드러낼 당시에는 눈에 띄는 기술이었으나, 현재는 타 업체들도 비슷한 형태의 기술을 다수 사용하고 있기 때문에 예전처럼 독보적인 기술이라고 하기는 어렵다.⁽¹⁾ 그러나 이 분야에서 가장 오랫동안 기술을 축적해온 제품군이고, 사실상 타일기반 렌더링으로 시장에 제대로 된 상품을 내어 성공한 유일한 업체이다. 때문에 이 분야에 최적화된 기능을 가장 잘 구현하고 있는 것도 사실이다.

그렇기 때문에 많은 업체들이 이미지네이션 테크놀로지에 라이센스를 하여 칩셋 및 기술을 활용하고 있다. 각종 휴대용 장비에 사용되는 PowerVR MBX 계열의 칩셋은 물론이거니와 PowerVR SGX 계열의 저전력 고성능 칩셋또한 여러 방면에서 사용되고 있다.

예를 들어 PowerVR SGX 시리즈는 아이폰4와 아이패드에 채용되어 많은 화제를 불렀으며, 이후 고성능을 지향하는 고급 스마트폰 계열에는 거의 어김없이 PowerVR SGX계열이 장착되고 있다. 또한 그래픽 감속기로 유명한 인텔의 그래픽 칩을 개선하기 위해서 인텔은 아톰 프로세서에서 사용되는 GMA500과 GMA600 계열 그래픽칩에도 내장되어 그 성능을 발휘하고 있다.

1990년 후반 3Dfx의 부두 칩을 시작으로 3D그래픽 가속기 시장이 웍스테이션에서 급속도로 PC로 옮겨오게 되면서 과거와 달리 높은 안정성과 완벽한 이미지 처리보다는 효율적인 이미지 및 게임에 특화된 기술의 최적화를 중심으로 3D기술이 발전되어 나가게 된다.

이어서 GPU라는 개념을 탑재한 고급형 그래픽카드가 등장하면서 시장은 한번 더 변화하게 된다. 엔비디아와 ATi같은 회사는 GPU를 통해서 그래픽처리를 완전히 전담 처리할 수 있게 함으로서 그 때까지 표현하는데 제약으로 남아있던 수많은 3D그래픽의 쉐이더를 비롯한 각종 이펙트를 실시간 처리할 수 있게 되면서 웍스테이션과 PC라는 장벽을 사실상 허물어 나가게 된다. 또한 이러한 복잡한 기술을 지원하기 위해서 OpenGL이나 DirectX 등을 통해서 범용적인 개발 친화적 기능을 내세우게 되어 더욱 높은 효율을 내세우게 되고, 방대한 지원을 기반으로 ATi와 엔비디아의 양자 대결이 중심적인 방향으로 자리잡기에 이르르게 된다.

사실상 그 자체가 프로세서에 해당하는 GPU를 중심으로 모든 그래픽 처리를 담당하는 엔비디아와 ATi의 칩은 성능 면에서는 상당히 앞서지만 그에 따라서 엄청난 집적도와 부품비, 전력소모를 감수해야 했다.

PowerVR은 나날이 비대해져가는 그래픽칩의 복잡한 구조를 최대한 탈피, 단순화되고 간단화된 기능을 중심으로 시스템을 구현한 칩이다. 철저하게 단순화된 프로세스와 쓸데없는 작업을 최소화 시킴으로서 작업해야할 양 자체를 감소시키고, 메인 프로세서의 연산력을 빌려 해당 프로세스를 연동처리 함으로서 잉여 처리능력을 최대한 활용하도록 함으로서 저전력, 고효율의 프로세서로서의 특성을 가지게 되었다.

PowerVR 초창기에 이미지네이션 테크놀로지(당시 비디오로직)는 작은 회사였기 때문에 해당 기술에 대한 개발을 하고서 직접 제품을 개발, 판매하기는 어려웠기 때문에 다양한 업체의 협력을 통해서 칩셋 개발에 나섰다. 기술 설계는 자신들이, 실제 칩셋의 디자인은 NEC가, 칩 생산은 ST마이크로가 담당하는 형태로 시작했다.

그러나 발매된 PowerVR 칩셋은 그래픽카드로서의 판매량에서 매우 고전했는데, 1세대의 경우 아예 일반 상품 자체가 나오지 못했고 PCI 슬롯으로도 충분한 처리를 할 수 있다는 장점을 인정받아 매트록스나 컴팩 등의 업체에서 OEM으로 저가형 제품으로 일부 채용한 것이 전부였다.

2세대 PowerVR, 코드명 CLX2, 통칭 PowerVR2 제품도 PC용 그래픽카드 시장에서는 맥을 추지 못했다. 특히 드림캐스트 발매에 앞서 NEC에서 PC용 버추얼온에 맞춰 PowerVR PCX2 보드를 내는 등의 홍보에 나섰음에도 큰 반향을 얻지 못했고, 이에 NEC는 중도에 개발을 포기하게 된다.

그러나 이 시기에 PowerVR은 이름을 크게 알릴 수 있는 계기를 맞이하게 되는데, 바로 드림캐스트(Dreamcast)에 채용되는 쾌거를 이룬 것이다. 특히 이 과정에서 세가가 3Dfx의 부두 칩과 경쟁을 해서 승리하고 채용되었다는 것은 큰 반향을 불러일으켰다. 자세한 사항은 드림캐스트 항목을 참고하도록 하자.

3세대는 NEC가 빠진 자리를 ST마이크로 측에서 개발을 이어받아 생산한 3세대 ‘카이로(Kyro)‘시리즈가 선보이면서 일반 사용자들에게도 다가갈 수 있을만한 제품으로 선을 보이게 되었다. 통칭 PowerVR3 칩셋이지만, 일반적으로 사용된 칩셋인 ‘카이로’ 명칭이 이 칩셋을 대표한다.

2세대의 드림캐스트의 흥행으로 인해서 PowerVR칩셋의 인지도가 올라갔고, 동시에 성능도 많은 향상을 보여 사람들에게 강한 인상을 심어주는데 성공했다.

특히 PowerVR3 칩셋인 STG4000번대의 두번째 리비전인 카이로2에 사용된 칩셋 STG4500 계열이 사용된 2001년에는 라이벌 기종인 레이디언 DDR과 지포스 2 GTS보다도 높은 벤치마크 점수를 얻으면서 많은 반향을 얻었다. 그러나 PowerVR의 특성인 CPU의 영향을 많이 받는 특성 때문에 벤치마크를 위한 하이엔드 PC에서의 점수와 일반 사용자의 스펙에서의 점수차가 심해 여러모로 비판을 받기도 했다.

이 시기 초반에는 상당히 좋은 평가를 받았으나, PowerVR에는 내장 하드웨어 Transform and lightning(T&L) 기능이 없었기 때문에 해당 기능을 활용하는 게임이 많아지게된 후기에는 성능적인 면에서 경쟁기종에게 크게 밀리면서 사용자들의 지지를 잃어버리게 되었다.

4세대 PowerVR4 라인은 이전 세대의 실패로 개발 의욕을 크게 상실한 ST마이크로의 마지막 참가작으로, STG5000 칩셋을 채용한 ‘카이로3’를 개발하였다. 하드웨어 T&L기능과 기타 효율 향상을 이룬 것으로 알려졌으나, 샘플 제품까지만 나오고 실 제품은 결국 발표되지 못했다.

ST마이크로 측은 ‘카이로3’를 개발하던 개발팀을 해체하고 그래픽 칩셋 개발을 단념하게 되었다.

협력사를 완전히 잃어버린 이미지네이션 테크놀로지는 PowerVR의 낮은 전력소모와 높은 효율성을 더욱 강화해 모바일장비에 특화된 칩셋을 개발한다. 그것이 PowerVR MBX 칩으로, 이전 칩셋에서 강화되었던 3D 가속을 위한 각종 기능과 하드웨어 T&L등을 제거하고 빠른 2D가속과 효율적인 처리방식을 살려 각종 휴대전화와 PDA에 채용되게 된다.

이 칩은 한창 사진이나 동영상이 휴대전화에서 활용되기 시작하는 시기와 맞물려서 많은 휴대전화 업체들에게 활용되게 되었으며, 이를 위한 칩셋 생산을 위해서(다시 말하지만 이미지네이션 테크놀로지는 칩 생산능력이 없다) 많은 업체들이 라이센스를 해가게 된다. 그 안에는 인텔, 텍사스 인스트루먼트, 삼성, NEC, NXP, 프리스케일, 르네사스, 썬플러스 등의 쟁쟁한 업체들이 포함되어있었으며, 이렇게 많은 업체들이 MBX 칩을 생산하면서 모바일 CPU와 연동된 설계가 활발하게 진행되게 되었고, ARM, SH5, MIPS등의 다양한 프로세서에 내장되어 사용될 수 있게 재설계를 거치게 되었다. 그 결과로 휴대전화를 포함한 다양한 모바일 장비에 사용되면서 이에 특화된 다양한 SoC 칩이 개발되었고, 안그래도 저전력 고효율의 PowerVR은 이 때 한층 더 모바일 장비에 적합하게 강화되었다.

당연히 이 시기에 나온 PowerVR MBX는 사용한 장비에 따라서 스펙도 전부 제각각으로 동일하지 않으므로 사실 한 종류로 통틀어서 말하기 어렵지만 아무튼 기본적으로는 MBX 칩셋으로 분류된다.

기본적으로 ‘MBX’와 ‘MBX라이트’로 구분을 짓는데, ‘MBX’는 좀 더 높은 성능을 지향하고, ‘MBX라이트’는 적당한 그래픽 가속을 하는 대신 매우 낮은 전력을 소모하는 것을 지향하도록 설계되었다. 성능적으로 MBX는 초당 250만 폴리곤, 360M 픽셀의 픽셀레이트를 가지고 있다고 되어있으며, MBX라이트는 초당 100만 폴리곤，180M 픽셀의 픽셀레이트를 가진다고 밝히고 있다. 물론 내장형 제품이기 때문에 CPU의 클럭이나 기타 커스텀 사항에 영향을 받기 때문에 실제 성능은 제품마다 다르다.

MBX계열 칩이 사용된 장비들은 상당히 많은데, 노키아 N95, 소니에릭슨 P1, 모토롤라 레이저Z8, 아이폰2G 제품과 아이팟 터치 초기라인업 등등의 다수의 휴대전화와 PMP에 채용되었다. 단지 자체적으로 사용되기 보다는 CPU를 개발하는 업체에서 내장시켜 유통하다보니 일반 사용자가 잘 모르는 것 뿐이다.

소니나 삼성 등의 일부 HDTV, 혹은 DVD플레이어 및 기타 미디어 플레이어에 채용된 칩셋이다. 각종 영상처리 등을 담당한다. 예를 들어 HDTV에서 수신된 영상을 디코딩해 TV에 출력하거나, 선명도나 색감을 바꾸는 후처리를 하는 등의 작업을 한다.

PowerVR VXD370은 HD급의 해상도를 처리하는 장비에 사용되며, HDTV, 셋톱박스, 블루레이 플레이어 등에 사용된다. PowerVR M2VX 계열은 SD급 해상도를 처리하는 장비에 사용되며, 주로 DVD플레이어나 디지털 레코더 등에 채용되었다. PowerVR MVED1 칩은 극히 적은 전력을 소모하는 디코딩 칩으로서 휴대용 장비에 주로 사용되며, 일본의 원세그(한국으로 치면 DMB방송)처리나 피쳐폰용 그래픽칩으로 사용되었다.

PowerVR SGX는 PowerVR시리즈가 PC쪽에서 실패한 이후 방향을 선회하면서 MBX계열에서 포기해야했던 3D그래픽의 성능적인 부분을 포기하지 않은 채 저전력화 시킨 제품으로, 처음에는 카이로3의 개량형에 가까운 느낌이었으나 개량을 거쳐 버텍스 쉐이더, 픽셀 쉐이더, 지오메트리 쉐이더까지 지원하도록 꾸준한 버전업을 거치면서 현재는 OpenGL 2.0과 DirectX 10.1의 쉐이더 모델 4.1을 충족하는 제품으로 거듭났다.

이 제품은 저전력의 3D 그래픽가속을 필요로하는 다양한 장비에서 널리 활용되고 있다. 특히 PowerVR시리즈의 특징인 설계를 변형하거나 내장시켜 활용하기 좋다는 점이 한 몫하여 각종 장비에 System on chip(SoC) 방식으로 채용되고 있다.

이미지네이션 테크놀로지에서 제시하는 성능은 다음과 같다. MBX라인업과 마찬가지로 전력관리를 위해서 해당 성능이 모두 사용되는 제품은 거의 없을 것으로 쉽게 예상할 수 있다.

• SGX520 : 400만 폴리곤/초, 2500만 픽셀레이트
• SGX530 : 700만 폴리곤/초, 2500만 픽셀레이트
• SGX535 : 2800만 폴리곤/초, 5000만 픽셀레이트
• SGX540 : 2800만 폴리곤/초, 1억 픽셀레이트

대표적으로 애플의 아이폰3Gs/4, 아이패드, 아이팟 터치 3세대, 애플TV 등에 A4 프로세서에 내장되어 채용되었고, TI의 OMAP3과 OMAP4 프로세서에 내장되어 노키아 N900, 소니에릭슨 비바즈, 모토롤라의 드로이드를 비롯한 안드로이드 폰에도 채용되었다. 또한 삼성의 허밍버드 칩에도 내장되어 갤럭시S, 갤럭시탭 등의 안드로이드 기반의 제품에서 적극 활용되기도 했다.

인텔 또한 라이센스를 통해 자사의 떨어지는 그래픽 기술력을 보완하기 위해 PowerVR SGX를 라이센스하여 아톰 프로세서용 메인보드에 내장되는 GMA500과 GMA600 칩에서 그 기술을 사용하고 있다.

PowerVR SGXMP는 SGX기반의 제품을 멀티 프로세서로 사용할 수 있도록 개량한 제품으로, PowerVR2 시절 나오미2가 그러했듯 다수의 프로세서를 장착하여 성능을 향상시켜 그래픽처리 능력을 높이고, 동시에 전력 관리를 체계적으로 할 수 있도록 돕도록 설계되었다.

즉 그래픽 사용량이 적은 일반 모드에서는 그래픽처리를 위해 코어를 1개만 작동시켜 전력소모를 줄이고, 게임 등의 무거운 작업을 할 때는 코어를 모두 작동시켜 성능을 향상시키는 것이 그 방향성이라 할 수 있다.

2011년에는 아이패드2에서 듀얼코어 프로세서인 A5 칩에 장착되면서 다시한번 PowerVR시리즈의 병렬연결의 강력함을 세상에 보인바 있다.

이 시기에 발매될 다수의 칩들이 SGXMP기반의 칩을 채용하였으며, 2011년 말에 선보인 소니 컴퓨터 엔터테인먼트의 휴대용 게임기 플레이스테이션 비타(Playstation VITA)에는 무려 4개의 코어를 내장한 SGX543MP4+ 칩이 사용되고 있다.

2012년에 발매된 아이패드 3세대와 아이패드 4세대에는 PSV와 마찬가지로 4개의 코어를 내장한 SGX543MP4기반의 GPU를 메인 프로세서인 A5X와 A6X에 각각 내장하여 장착하게 되었다. 아이폰5에는 SGX543MP3 기반의 트리플코어 그래픽칩이 장착된 A6 프로세서를 장착하기도 했다.

6세대 제품은 코드명 로그(Rogue)로 알려져 있으며, 2012년 1월에 발표된 바에 따르면 5세대의 SGXMP 듀얼코어 칩에 비해서 5배 이상 발전한 전력관리 능력과 20배가량 향상된 성능을 가진다고 주장하고 있다. OpenGL ES 3.0 스펙을 충족하며, 컴퓨트 쉐이더를 비롯한 기능을 지원할 예정이다. 아직 정식 발표 전이기 때문에 정확한 코어 숫자나 클럭 등을 밝히지 않아 어떻게 구성된 제품인지 알 수 없으므로 실 제품을 봐야 알 수 있을 것으로 생각된다.