HW 가속 기반 웹 고속화 기술동향

기존 단일 코어 방식의 중앙처리장치(CPU)들은 클락(clock) 속도를 높이는 방식으로 성능 향상을 이루어왔지만, 높은 전력 소비와 발열 문제로, 최근에는 하나의 칩에 다수의 프로세서 코어를 탑재하는 방향으로 발전하였다. 일반적으로 프로세서 용량 확장 방식은 멀티 코어(multi-core) 프로세서와 매니 코어(many-core) 프로세서 방식으로 구분할 수 있다. 멀티코어 프로세서에는 2, 4, 8개의 CPU 수준 코어를 하나의 칩에 집적하는 것으로, 인텔의 i7 프로세서 등이 대표적인 예이다. 매니코어 프로세서 방식은 매우 작은 코어를 대량으로 칩에 집적하는 것으로, 칩당 수백 혹은 수천 개의 코어가 내장되어 있으며, 현재의 다양한 GPU들에 적용되고 있다. (그림 2)는 일반적인 CPU와 GPU의 내부구조를 간략히 비교한 것이다.

(그림 2)와 같이, GPU의 구조는 대량의 데이터를 병렬로 동시에 처리하기에 적합한 구조로 되어있다. 따라서, 각 그래픽 칩 제조사들은 자사의 GPU 구조를 효과적으로 활용하기 위한 프로그래밍 모델들을 제공하고 있다. 사례로, NVIDIA는 데이터 병렬처리를 효과적으로 지원하는 Compute Unified Device Architecture (CUDA)를 응용 개발자들에게 제공하고 있다[4]. 로열티 제한이 없는 표준 API를 제정하는 크로노스 그룹에서도 GPU를 활용하기 위한 병렬처리 언어인 OpenCL 규격을 정의하고, 대다수의 그래픽 제조사가 이를 지원하고 있다[5].

(그림 2)

CPU와 GPU 구조 비교

<표 1>은 NDIVIA에서 출시한 주요 그래픽 카드들의 코어 수 변화를 보여주는 것으로[6], 최신 그래픽 카드가 출시될 때마다, 코어 수와 클락 스피드가 증가됨을 알 수 있다. 앞으로 고성능을 요구하는 다양한 응용 분야에서 GPU의 연산능력을 활용하려는 시도는 더욱 증대될 것으로 예측된다.

<표 1>

NVidia 그래픽 칩의 코어수 변화

크로노스 그룹은 기업체 중심의 컨소시엄으로, 모바일단말 등 임베디드 기기에 필수적으로 사용되는 미디어 가속 표준을 제정하고 있는 비영리 표준화 단체기구이다. (그림 3)은 그래픽 가속(OpenGL) 및 병렬 컴퓨팅(OpenCL)을 위한 표준들을 보여준다. 이들 규격은 대부분 하드웨어 장치와 응용 소프트웨어를 연결하는 API 제공한다.

(그림 3)

그래픽 및 컴퓨팅 가속을 위한 표준

<출처>: https://www.khronos.org/assets/uploads/developers/ library/overview/vulkan-overview.pdf

• OpenGL: 데스크톱을 위한 3D 그래픽 표준

• OpenGL|ES: 임베디드 시스템용 OpenGL로 스마트폰, 태블릿 PC 등에 널리 사용

• OpenGL|SC: 항공 등 Safety Critical 분야를 위한 그래픽 표준

• OpenCL: 이종 프로세서를 위한 C 기반 병렬처리 표준언어

• Standard Portable Intermediate Representation (SPIR): Low Level Virtual Machine(LLVM)기술에 기반한 그래픽 및 병렬 컴퓨팅을 위한 중간 표현 언어

• Vulkan: 병렬 컴퓨팅 및 그래픽을 가속을 위한 차세대 그래픽 API 표준

OpenGL은 산업계에서 가장 널리 쓰이는 2D/3D 그래픽 표준 API로, 다양한 플랫폼에서 수많은 응용이 OpenGL로 개발되었다. 이후에 OpenGL을 확장하여 모바일 등 임베디드 환경에서 사용할 수 있도록 OpenGL ES 규격과, 항공전자에서 사용하기 위해 안정성이 추가된 OpenGL SC 규격을 개발하였다. 또한, 최근에 주로 그래픽 가속을 위한 OpenGL 규격에 컴퓨팅 기능을 보완한 차세대 GPU API 표준인 Vulkan을 개발하였다.

OpenCL은 슈퍼 컴퓨터, 고성능 PC, 모바일단말 등에 사용되는 이종 컴퓨팅 및 병렬 컴퓨팅 언어로서 Inter-national Organization for Standardization(ISO) C99를 일부분 포함하고 있다. OpenCL 2.0은 GPU에서의 병렬처리뿐 아니라, 싱글/멀티 코어 CPU, DSP, FPGA에서도 실행될 수 있는 범용 병렬처리 언어로 자리잡고 있다. OpenCL 2.0 이후 CPU와의 상호 운용성이 강화되어, 가용 자원을 검색하여 추가 자원을 동적으로 활용가능하다. OpenCL 2.1은 C++14 에 기반하고 있으며, SPIR 지원을 통해 소스코드 공유가 가능하다.

한편, 웹 응용을 개발하는 언어인 자바스크립트를 통해 하드웨어 가속 기능을 이용하기 위해서, 각 제조사에서 제공하는 OpenGL 및 OpenCL 드라이버 호출 인터페이스가 필요한데, 이러한 규격이 바로 WebGL 및 WebCL이다. (그림 4)는 웹 페이지 또는 자바스크립트 미들웨어를 활용하는 웹 응용에서 브라우저 내에 구현된 WebGL 및 WebCL 모듈을 통해 OpenGL 및OpenCL을 각각 호출하여 HW 가속을 사용하는 개념을 보여준다.

(그림 4)

WebGL/CL을 통한 웹 가속 개념

ThreeJS는 3D 자바스크립트 라이브러리 중 가장 널리 사용되며, 홈페이지를 통해 풍부한 예제를 제공하고 있다[8].

ThreeJS는 장면(Scene), 카메라, 렌더러와 같은 추상화된 상위 개념의 고수준 API를 제공하므로, WebGL 문법이나 컴퓨터 그래픽스를 위한 선형 대수학(Linear Algebra)을 모르더라도 웹 브라우저에 비교적 쉽게 3D 장면을 생성하고 조작할 수 있다. 그리고, 다양한 쉐이더(Shader) 코드까지 제공하고 있어서 개발자가 원하는 기능을 손쉽게 조합하여 쓸 수 있다.

(그림 5)는 ThreeJS를 활용한 응용 실행 화면을 보여주며, <표 2>는 ThreeJS에서 제공하는 고수준 API들의 기능을 요약한 것이다. ThreeJS는 MIT 라이센스 기반의 오픈 소스로 개발되고 있으며, 개발 사이트에서 소스를 다운로드 받을 수 있다[9].

<표 2>

ThreeJS API 기능

(그림 5)

ThreeJS를 활용하는 예제 실행화면

<출처>: ThreeJS 홈페이지

SceneJS는 자바 스크립트를 이용하여, (그림 6)과 같이 매우 상세한 3차원 시각화(Visualization) 기능을 제공하며, JavaScript Object Notation(JSON) 기반의 그래픽 API를 제공한다[10].

(그림 6)

SceneJS를 활용한 예제 실행화면

<출처>: SceneJS 홈페이지

SceneJS는 공학 및 기계 분야에서 상호연결되는 수많은 객체들을 렌더링하는 상세 모델링에 활용된다. SceneJS 홈페이지에는 개발자가 웹 응용을 쉽게 개발할 수 있도록 다양한 예제를 제공하고 있다. <표 3>은 SceneJS의 주요 기능을 정리한 것으로, JSON기반의 장면 그래프 정의 기능, WebGL의 쉐이더 접근 기능, 동적인 객체 표면 처리 기능 등을 포함한다.

<표 3>

SceneJS 주요 기능

SceneJS는 GNU General Public License(GPL) 과 MIT 라이선스 기반의 오픈 소스 방식으로 개발되고 있으며, SceneJS의 소스는 개발 사이트를 통해 다운로드할 수 있다[11].

PhiloGL은 게임 개발과 데이터 시각화를 지원하기 위한 WebGL 프레임워크이다[12]. PhiloGL은 프로그램, 쉐이더로부터 XMLHttpRequest(XHR), JSON with Padding(JSONP) 효과, 웹 워커(Web Worker)까지 다양한 모듈들을 제공하며, 모든 모듈을 하나의 글로벌한 라이브러리로 관리한다.

<표 4>는 PhiloGL의 주요 기능들을 요약한 것으로, 각각의 기능 모듈에 대해 상세한 API문서와 (그림 7)과 같은 다양한 샘플 예제를 함께 제공함으로써 개발자가 PhiloGL을 쉽게 사용할 수 있도록 지원한다. PhiloGL는 MIT 라이선스 기반으로 개발되고 있으며, 소스는 PhiloGL 홈페이지에서 다운로드할 수 있다.

<표 4>

PhiloGL 주요 기능

(그림 7)

PhiloGL를 활용한 예제 실행화면

<출처>: PhiloGL 홈페이지

BabylonJS는 3DS MAX, Blender와 같은 별도의 그래픽 도구와의 연동 및 Unity5와 같은 게임 엔진과의 연동을 지원하는 오픈 소스 기반의 자바스크립트 프레임워크이다[13].

BabylonJS는 3D 프로젝트의 생산성과 사용자 편의성을 극대화하기 위해, 쉐이더 템플릿이나 메쉬 데이터, 재질 종류를 선택하여 미리 그 결과를 확인해 볼 수 있는 기능도 제공한다. (그림 8)은 BabylonJS를 활용한 샘플 응용의 실행화면을 보여주며, <표 5>는 BabylonJS의 주요 기능을 요약한 것이다.

<표 5>

BaylonJS 주요 기능

(그림 8)

BabylonJS를 활용한 예제 실행화면

<출처>: BabylonJS 홈페이지

BabylonJS는 Apache 2.0 라이선스 기반으로 개발되고 있으며, 소스는 BabylonJS 개발 사이트를 통해 다운로드할 수 있다[14].

WebCL은 하드웨어 가속을 웹에서도 활용하기 위하여 OpenCL의 자바스크립트 바인딩을 정의한 것으로서, 향후 웹 브라우저의 기능으로 탑재될 수 있는 잠재성도 고려하여 크로노스 그룹에서 제정되었다[15]. (그림 9)는 OpenCL 1.1 기반으로 정의된 WebCL 1.0 [16]의 구조도이다. WebCL은 복잡한 연산을 요구하는 웹 응용(예, 물리엔진), 빅데이터 시각화, 또는 WebGL에서의 부족한 계산 능력을 보완하는 데 활용할 수 있다.

(그림 9)

WebCL API의 구조도

WebCL은 오픈 프로젝트별로 조금씩 다른 방식으로 구현되고 있으며, <표 6>은 구현결과물에 대한 항목별 비교표이다.

<표 6>

공개 프로젝트별 WebCL 구현현황

가. WebCL 표준규격 지원

나. 웹 응용의 동작환경

다. 다양한 운영체제(OS) 지원

라. 웹 브라우저별 WebCL 구현현황

웹 브라우저 또는 웹 런타임에 WebCL 기능이 구현되었더라도, 실제 웹 응용이 동작하기 위해서는 단말 제조사에서 제공하는 OpenCL 라이브러리가 반드시 필요하다. <표 7>은 OpenCL을 지원하는 모바일단말들을 보여준다. 구글이 안드로이드 4.3 버전 이후 OpenCL 지원을 중단했음[23]에도 불구하고, 최신 스마트폰에는 공식 또는 비공식적으로 OpenCL 라이브러리가 포함되어 있다. 한편, OpenCL이 지원되는 않는 모바일단말은V장에서 살펴볼 차세대 GPU API인 Vulkan의 컴퓨팅 기능을 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 구글은 Vulkan에 대한 안드로이드 지원을 공표한 바 있다[24].

<표 7>

OpenCL 지원 모바일단말 현황

<표 8>은 ETRI의 HighWeb 브라우저 내에서 다양한 WebCL 응용 프로그램을 수행한 결과를 정리한 것이다. WebCL 성능 이득을 측정할 수 있는 샘플 코드[25]는 매우 제한적이며, 대부분 표준화가 완료되기 전에 구현된 것으로 현재 버전에 맞도록 수정이 필요하다. <표 8>은 삼성이 공개한 중력 시뮬레이션(Nbody)과 형태변형 시뮬레이션(Deform)을 이용하여, 2013년 출시된 Nexus 7 2세대 단말에서 성능 측정한 결과를 보여준다. 응용 별 연산량과 단말에 성능에 따라 다르지만, 순수 자바스크립트 대비 최대 10배 빠른 성능을 보이고 있다. 특히 WebGL과 함께 사용했을 경우는 순수 자바스크립트 대비 최대 20배 이상의 성능이득을 보임으로써 고성능 웹 개발에 대한 가능성을 보여주고 있다.

<표 8>

WebCL 응용 성능 시험결과

차세대 GPU API의 첫 번째 요구사항은 명시적인(explicit) API이다. 이것은 응용 혹은 개발자가 정확히 언제, 무엇을 해야 할지를 결정할 수 있다는 것을 의미한다[27]. (그림 10)에서 보듯이 이러한 수준의 API는 크로노스 그룹의 Vulkan 이외에도 몇몇 경쟁 API가 있다. 마이크로소프트는 DirectX 12라는 차세대 GPU API를 선보이고 있다. Vulkan과 거의 같은 수준의 추상화와 목적을 지니고 있다. 그러나 DirectX API는 단지 윈도우10에서만 동작한다. 애플은 자사 단말에서 최적의 성능을 내기 위해 Metal이라는 API를 공개하였다. Metal은 애플 기기에서만 동작하며 일부 그래픽스 기능(예, 테셀레이션(tessellation))은 제외된 방식이다.

(그림 10)

차세대 GPU API의 경쟁구도[26]

가. 폭넓은 일관성과 호환성

(그림 11)은 Vulkan과 OpenGL의 SW 스택을 비교한 그림이다. Vulkan은 GPU 제조사들이 책임지던 대부분의 드라이버의 기능을 응용 프로그램 영역으로 이동함으로써 드라이버 구현의 부담을 덜었다. 이로써 GPU 제조사들은 매우 얇은 드라이버를 구현할 수 있게 되었으며, 벤더별로 상이하던 드라이버 내부동작을 사실상 거의 제거시켰다. 따라서, 과거 API 포팅 과정에서 많은 노력이 필요했던 HW별 코드 최적화 작업 없이도, 대부분 비슷한 성능을 낼 수 있다[28].

(그림 11)

Vulkan과 OpenGL의 차이점[26]

또한, Vulkan은 이미 안드로이드, 타이젠, 리눅스(우분투, 레드햇, 스팀OS), 윈도우(윈도우7, 8.1, 10)를 지원하고 있다. 이러한 다양한 OS 지원은 데스크탑, 모바일, 임베디드 환경에 이르기까지 동일한 코드로 개발이 가능함을 의미한다.

나. 높은 효율성과 성능

차세대 그래픽스 및 컴퓨팅 API로서의 Vulkan은 개방형 표준으로서 많은 잠재력을 지니고 있다. 웹에서도 Vulkan의 장점을 활용하는 방안을 모색 중이다.

가. 계산 중심의 웹 응용 개발을 위한 Vulkan

나. 웹 브라우저 하부 기술로의 Vulkan