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☞ Xbox 360과 PlayStation 3의 실제 성능을 비교해본다.

콘솔의 성능을 결정하는 세 가지 핵심요소는 다음과 같다.
  • CPU 성능
    - Xbox 360의 CPU 아키텍처는 Cell의 범용 처리능력의 3배 수준의 처리능력을 보유함
  • GPU(Graphics Processing Unit) 성능
    - Xbox 360의 GPU 설계는 PS3의 GPU 보다 유연성과 처리능력이 우월함
  • 메모리 시스템 대역폭
    - Xbox 360의 메모리 시스템 대역폭은 PS3를 5배 능가함

■ 결론
수치를 분석해 보면, Xbox 360의 성능이 PS3 보다 우월하다는 사실이 입증된다. 그러나, 하드웨어는 대단히 중요한 요소이기는 하지만 게이머의 게임 플레이를 결정하는 세 가지 요소 중 한 가지에 불과하다. 하드웨어에 힘을 실어주는 소프트웨어와 서비스가 없다면, 가장 강력한 하드웨어도 쓸모 없는 고철이 될 수 밖에 없다. Xbox 360 게임은 첨단의 하드웨어, 소프트웨어, 서비스를 접목함으로써 PS3에 비해 월등한 성능을 발휘할 것이다.

☞ 성능 스펙 상세분석

■ CPU
Xbox 360의 프로세서는 게임 개발자가 실제로 요구하는 처리능력을 사용하기 쉬운 형태로 제공하도록 설계되었다. Cell 프로세서는 인상적인 병렬 부동소수점 연산능력을 제공하고 있지만, 이는 게임에는 그 사용 범위가 제한적인 요소이다.

게임 코드의 대부분은 정수, 부동소수점(floating-point), 벡터연산(vector math)이 혼합된 것으로 여러 브랜치와 랜덤 메모리 액세스를 지원하고 있다. 이 코드를 처리하는 데는 캐시, 브랜치 프리딕터(branch predictor), 벡터 유닛(vector unit) 등을 갖춘 범용 CPU가 가장 적합하다.

Cell 프로세서의 7개 DSP(소니는 이를 SPE라 함)에는 캐시가 장착되지 않았고, 메모리에 대한 직접 액세스도 지원하지 않으며, 브랜치 프리딕터도 없고, PS3의 메인 CPU와 다른 instruction set을 가지고 있다. 이 DSP는 범용 컴퓨팅용으로 설계되지도 않았고 범용 컴퓨팅에서 효율성을 발휘하지도 못한다. 결국, DSP는 게임 프로그램에 적합하지 않다고 볼 수 있다.  

Xbox 360은 3개의 범용 CPU 코어를 장착하고 있다. Cell 프로세서는 단 1개의 범용 CPU 코어를 장착하고 있을 뿐이다.

Xbox 360의 CPU는 각 CPU 코어에서 벡터 처리능력을 보유하고 있다. Xbox 360의 각 코어는 하드웨어 쓰레드 당 128 벡터 레지스터를 지원하고 있으며, 도트 연산 인스트럭션(dot product instruction)과 1-MB L2 공유 캐시를 내장하고 있다. Cell 프로세서의 벡터 처리능력은 대부분 DSP가 보유하고 있다.

도트 연산은 3D 수학에서 벡터의 길이, 투영(projection), 변환(transformation)을 계산하는 데 사용되기 때문에 게임에 대단히 중요한 요소이다. Xbox 360의 CPU는 도트 연산 instruction을 내장하고 있는 반면, Cell과 같은 여타 프로세서는 여러 개의 instruction을 사용하여 도트 연산을 에뮬레이션 해야 한다.

Cell 프로세서의 병렬 부동소수점 연산 작업은 7개의 DSP 프로세서 상에서 이루어진다. 기하학 처리(geometry processing)가 GPU로 옮겨가면서, 게임에서 병렬 부동소수점 연산 작업과 여타 DSP 스타일 프로그래밍의 필요성이 크게 줄어들었다.

L2 캐시가 없는 PS2의 이모션 엔진(Emotion Engine)과 마찬가지로, Cell 프로세서는 처리시간에서 차지하는 비중이 미미한 게임 프로그래밍 유형에 적합하게 설계되었다.

소니의 CPU는 작업의 12.5%가 범용 컴퓨팅이고 87.5%가 DSP 연산인 환경이라면 이상적인 프로세서가 될 것이다. 이러한 믹스는 비디오 재생이나 networked waveform analysis에는 적합하겠지만, 게임에서는 적합하지 않다. 실제로 게임을 분석해 보면, 범용 컴퓨팅과 DSP 연산 요구사항의 비중이 이와는 거의 정반대의 분포를 나타낸다는 사실을 알 수 있다. Instruction 중 실제로 부동소수점 instruction이 차지하는 비중은 비교적 낮은 수준이다. 부동소수점 instruction 중에서 숫자의 연속적 흐름을 처리하는 instruction은 극히 일부에 지나지 않는다. 대부분의 instruction은 AI나 path-finding 등의 태스크에 사용되는 것으로, 이를 위해서는 메모리에 대한 랜덤 액세스와 frequent branch가 요구되는데, 여기에는 DSP가 맞지 않다.

차세대 게임을 구동한 상태에서 측정한 결과를 분석해 보면, instruction의 10 – 30%만이 부동소수점 instruction으로 나타난다. 나머지 instruction은 모두 load, store, integer, branch 등의 instruction이다. 실제로 실행되는 병렬 부동소수점 instruction의 비중은 이 보다 더 낮다. Cell 프로세스는 병렬 부동소수점 연산에 최적화된 프로세서로, 코어의 87.5%가 병렬 부동소수점 연산 전용이며 다른 작업은 수행할 수 없다.  

게임 프로그래머는 코드를 8개 프로세서에 분산시키기를 원하지 않으며, 특히 8개 프로세서 중 7개가 범용 프로그래밍에 적합하지 않을 때에는 이를 더더욱 원하지 않을 것이다. 더욱이, 게임 코드를 8개 프로세서에 고루 분산시키는 것은 극도로 어려운 작업이다.

■ GPU

대역폭의 제한을 무시한다 하더라도 PS3의 GPU는 Xbox 360의 GPU에 비해 처리능력이 떨어진다.
보도자료에 따르면, PS3 GPU의 스펙은 다음과 같다.

RSX GPU
  • 550 MHz
  • Independent vertex / pixel shader
  • 초당 510억 도트 연산 (전체 시스템 성능)
  • 300M 트랜지스터
  • 클럭당 136 쉐이더 연산(shader operations)

흥미로운 ALU 성능 수치는 초당 510억 회의 도트 연산 (전체 시스템 성능), 300M 트랜지스터, 6800 Ultra 보다 2배 이상 강력한 성능이다.

사이클당 510억 회의 도트 연산은 전체 그래픽 시스템 성능 요약 슬라이드에 기재된 것으로 Cell 프로세서를 포함한 성능으로 판단된다. 소니의 계산에서는 도트 연산 instruction이 없는데도 각 DSP가 사이클당 1회의 도트 연산을 처리할 수 있다고 가정한 것으로 보인다.

그러나, 소니의 주장 대로라면, CPU의 성능은 [사이클당 7회의 도트 연산 * 3.2 GHz = 초당 224억 회의 도트 연산]가 된다. 그러면, GPU의 성능은 [51 – 22.4 = 초당 286억 회의 도트 연산]가 된다. 여기에서, [286억 회의 도트 연산 / 550 MHz = 클럭당 52 회의 GPU ALU 연산]이라는 결과가 도출된다.

RSX의 ALU가 GeForce 680의 ALU와 유사하다면, RSX의 ALU는 vector4에서 작동하는 것이며, Xbox 360 GPU의 ALU는 vector5에서 작동한다. 그러면, PS3의 총 프로그래머블 GPU 부동소수점 연산성능은 [52회의 ALU 연산 * 4 floats per op * 2 (madd) * 550 MHz = 228.8 GFLOPS]가 되는데, 이는 Xbox 360의 성능인 [48 ALU 연산 * 5 floats per op * 2 (madd) * 500 MHz = 240 GFLOPS]에 비해 떨어지는 수치이다.

따라서, Xbox 360 GPU(330M)의 트랜지스터 수가 약간 많기 때문에 총 프로그래머블 GPU 부동소수점 연산 성능이 서로 대단히 근접한 수치를 보이게 되는 것이 당연하다.

PS3가 Cell 프로세서 외에 7개의 DSP를 추가로 장착하여 그래픽 렌더링을 위한 부동소수점 연산을 추가 지원하고 있기는 하지만, 커스텀 D3D와 도트 연산 instruction을 내장한 3개의 범용 코어를 장착한 Xbox 360이 진정한 의미에서 그래픽 관련 연산에 더욱 적합한 시스템이다.  

6800 Ultra는 16 pixel pipe와 6 vertex pipe를 보유하고 400 MHz의 속도를 낸다. RSX가 6800 Ultra에 비해 2배 정도의 성능과 높은 주파수를 보유하고 있음을 감안하면, 대략 RSX가 24 pixel shading pipe와 4 vertex shading pipe(Cell 프로세서 DSP가 vertex shading을 일부 수행할 것이므로 vertex shading pipe의 수가 작아짐)를 지원할 것으로 추측할 수 있다. 만약 소니의 보도자료에서 암시된 바와 같이 PS3 GPU가 6800 pixel shader pipe co-issue 아키텍처를 유지한다면, 여기서 GPU에 [24 pixel pipe * 2 issued per pipe + 4 vertex pipe = 클럭당 52 회의 도트 연산]이 추가된다.

RSX가 6800 Ultra의 선례를 따른다면 24개의 텍스처 샘플러(texture samplers)를 지원하겠지만, 이 샘플러들이 사용되는 동안에는 ALU 슬롯을 차지하기 때문에 PS3 GPU의 실제 성능이 더욱 떨어지게 된다. 설사 texture fetching과 ALU co-issue를 분리할 수 있다고 하더라도, 텍스처를 fetch하기에는 대역폭이 충분하지 못할 것이다.

클럭당 쉐이더 연산을 살펴 보면, 소니는 각 pixel pipe를 4개의 ALU 연산(co-issued vector + scalar), pixel pipe당 1개의 텍스처 연산 및 vector pipe당 4개의 scalar 연산으로 계산할 가능성이 높으며, 이 경우 사이클당 [24 * (4 + 1) + (4*4) = 136 회의 연산] 또는 초당 [136 * 550 = 74.8 GOps]의 결과가 도출될 것이다.  

Xbox 360 GPU의 멀티 쓰레딩 설계와 균형설계를 고려한다면, 클럭당 쉐이딩 연산 측면에서 이 두 시스템을 일대일로 비교할 수는 없을 것이다. 그러나, Xbox 360의 GPU는 48회의 ALU 연산(각각 클럭당 vector4 연산 1회와 scalar 연산 1회를 수행할 수 있음), 16회의 texture fetch, 32회의 control flow 연산, 16회의 프로그래머블 vertex fetch 연산을 수행할 수 있으며, 클럭당 배열(tessellation)은 사이클당 총 [48 * 2 + 16 + 32 + 16 = 160회의 연산] 또는 초당 [160 * 500 = 80 GOps]가 된다.

전체적으로, Xbox 360 GPU가 갖추고 있는 자동 쉐이더 로드 밸런싱(automatic shader load balancing), 메모리 내보내기 기능(memory export features), 프로그래머블 vertex fetching, 프로그래머블 triangle tesselator, vertex shader의 full rate texture fetching 및 여타 ‘쉐이드 모델 3.0을 크게 능가하는’ 기능이 전반적인 렌더링 성능 향상에도 기여하고 있다.

■ 대역폭
PS3의 전체 시스템 대역폭은 48 GB/s으로, GDDR3 대역폭 22.4 GB/s와 RDRAM 대역폭 25.6 GB/s를 갖추고 있다.

Xbox 360의 전체 시스템 대역폭은 278.4 GB/s으로, GDDR3 대역폭 22.4 GB/s와 EDRAM 대역폭 256 GB/s를 갖추고 있다.

Xbox 360의 대역폭이 이처럼 현저하게 넓은 이유는 무엇인가? 아주 단순하게 계산해 보더라도 많은 대역폭을 프레임 버퍼가 차지한다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 550 MHz에서 단순한 컬러 렌더링과 Z 테스팅을 수행할 경우, 프레임 버퍼에만도 클럭당 8 픽셀에서 52.8 GB/s가 요구된다는 것을 알 수 있다. PS3의 대역폭은 설사 텍스처와 vertex의 fetch가 없다고 하더라도 GPU의 피크 렌더링 속도를 유지하는 데 충분하지 못하다.

PS3는 메모리 대역폭의 부족을 만회하기 위해 Z 압축과 컬러 압축을 사용하고 있다. Z 압축과 컬러 압축의 문제점은 차세대 3D 그래픽에서 렌더링이 복잡해지면 압축이 쉽게 훼손된다는 점이다.

HDR, alpha-blending, 안티 앨리어싱(anti-aliasing)은 더욱 많은 메모리 대역폭을 요구한다. 이 때문에 Xbox 360은 256 GB/s를 프레임 버퍼 전용으로 할당하고 있다. 따라서, Xbox 360의 GPU는 Z 테스팅, HDR, 4X MSAA에서 alpha blended 컬러 렌더링을 최고 속도로 수행하면서도, 메인 버스 대역폭인 22.4 GB/s 전체를 텍스처와 vertex에 할당할 수 있다.