[분석정보] 정식 발표된 라라비(Larrabee) 아키텍처

 

Intel 간부가 IDF에서 Larrabee를 소개

 

 

Larrabee를 소개하는 Pat Gelsinger 씨 (오른쪽)와 Larry Seiler 씨 (왼쪽)

 Intel은 8월 19일부터 미국 샌프란시스코에서 개최하는 기술 컨퍼런스 "Intel Developer Forum (IDF)"에서 throughput 컴퓨팅을 위한 새로운 CPU "Larrabee (라라비)"의 아키텍처 개요를 발표했다. Larrabee 내용은 2주 전에 행한 컴퓨터 그래픽 컨퍼런스 "SIGGRAPH"에서 논문 발표와 프레젠테이션이 진행됐다. 그러나, Intel의 최고 경영진이 공식적으로 Larrabee 아키텍처를 발표하는 것은 IDF가 처음이다.

 그러나 Larrabee 자체에 대한 IDF에서 발표 내용은 SIGGRAPH 에서 발표에 추가 정보는 거의 없다. 또한 Intel은 IDF에서 Larrabee 아키텍처의 개요는 밝혔지만 Larrabee 제품 계획 등에 대한 자세한 내용은 공식으로는 발표하지 않았다. "당사의 부사장이 말하는 최초의 Larrabee 탑재 제품이 2009년 말에서 2010년에 등장한다는 것. 그것이 현재 얘기하고 있는 모든것"(Larry Seiler 씨, Senior Principal Engineer - Graphics System Architect, Intel)이라는 코멘트 뿐이다.

 IDF의 기조 연설에서는, Digital Enterprise Group을 지휘하는 Intel의 Patrick (Pat) P. Gelsinger (퍼트 · P · 겔싱어) 씨 (Senior Vice President and General Manager, Digital Enterprise Group)가 3개의 주제 중 하나로서 Larrabee를 거론했다. Larrabee는 신설 Visual Computing Group의 관할이지만, 개발을 행한 것은 Digital Enterprise Group 아래에 있는 오리건 주 힐스보로의 개발 센터라고 알려져 있다. Gelsinger 씨는 "Larrabee는 ISV 커뮤니티에 큰 흥분과 관심을 불러 일으키고 있다"고 강조했다.

　그러나 키 노트는 Larrabee의 물건의 모습은 없고, 실제 칩은 물론 에뮬레이션에 의한 데모도 행해지지 않았다. 즉, 제품 관련의 이야기는 IDF에서도 거의 모두 없었다. Intel은 현재 단계는 Larrabee 아키텍처를 알리는 단계이며, 제품의 프로모션을 행하는 단계가 아니라고 판단하고 있다고 한다.

 

Larrabee 전체 블록 다이어그램

 

 

Larrabee CPU 코어와 벡터 유닛의 블록 다이어그램

 

그래픽 업계에서 인재를 모으는 Intel

　4월의 IDF에서는 Intel은 Larrabee를 먼저 그래픽 시장에 투입한다고 선언했다. 그 시장에서는 NVIDIA의 GeForce GTX 200 (GT200) 및 그 후속 AMD의 ATI Radeon HD 4800 (RV770)과 그 후속과 정면으로 충돌하게 된다. 이번 IDF에서는 Intel은 약간 톤이 약했지만, 역시 그래픽 응용 프로그램에 초점을 맞춘 설명을 했다. Larrabee는 CPU와 GPU의 각각의 사이드 설계자가 관련된 것으로 알려져 있지만, IDF에서 전면에 나온 것은 그래픽 사이드 인재 뿐이었다.

　덧붙여서, Intel은 비주얼 컴퓨팅 프로젝트를 위해 그래픽 업계 중에서 인재를 모은 것 같다. Larrabee 그래픽 사이드 아키텍트 인 Larry Seiler 씨 (Senior Principal Engineer - Graphics System Architect, Intel)는 원래 ATI Technologies. 또한 비주얼 컴퓨팅에 대한 "Chalk Talk"(자유 토론 스타일 세션)에는 NVIDIA에서 쉐이딩 언어 "Cg"를 만든 William (Bill) R. Mark 씨가 등장했다. Mark 씨는 NVIDIA 뒤에 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스로 옮겼으며, 현재는 Intel의 리서치 센터에 소속되어있다 (Manager, Advanced Graphics Research Group, Intel).

 NVIDIA에서 CUDA 개발 리드에 힘쓰는 Ian Buck 씨는 Mark 씨와 스탠포드 대학에서 쉐이딩 언어의 연구를 한 옛 동료였다. 같은 스탠포드 Stanford Graphics Lab의 연구원으로 현재는 AMD의 아키텍트 팀에있는 Mike Houston (마이크 휴스턴) 씨는 "결국 동일한 스탠포드에서 연구하고 있던 동료가 3사로 나누어 비슷한 일을 하고있다 "고 웃는다.

 Intel이 Larrabee를 먼저 GPU로 판매하는 것은 소비자를 위한 제품으로 폭넓게 보급시키기 위함이다. 하지만 전략의 첫 단계에 불과하다. Intel의 최종 목적은 대중적인 Larrabee 위에서 그래픽스 이외의 광대한 범용 응용 프로그램을 꽃 피우는데 있다고 추측된다. Intel 통합 그래픽 설계자이며 10년 전에 Intel의 개별 GPU "Intel 740"을 개발한 Thomas Piazza 씨 (Intel Fellow) 씨는 "Larrabee는 이 지상에서 가장 GPGPU에 적합한 시스템이다" 라고 선언. Larrabee가 다른 GPU에 비해서 결정적으로 유리한 포인트가 범용 컴퓨팅에 유연성이 있다는 것을 밝혔다.

 

소프트웨어의 변화가 프로세서를 바꾼다

　Intel은 IDF에서 Larrabee의 배경으로 있는 지난 몇년간의 GPU의 프로그래머블 화의 흐름을 설명했다. GPU는 DirectX 9세대 이후 프로그램성을 갖춘 프로세서를 탑재하고 비 그래픽의 범용적인 응용 프로그램을 수행 가능하기 시작했다. 그런 GPU의 진화는 범용 단일 쓰레드 프로세서에서 멀티 스레드 & 스루풋 컴퓨팅으로 향하는 CPU의 진화와 어떤 지점에서 일치한다. Larrabee는 CPU와 GPU의 진화의 중간 지점에 위치한다는 것이 Intel의 위치선정 이다.

 

GPU는 진화와 함께 연산 효율이 향상

 

 

그래픽 작업은 프로그래밍이 필요

 

 

그래픽 렌더링 파이프 라인의 역사

 

　GPU는 연산만은 특화하고 있기 때문에 다중 스레드의 부동 소수점 연산 성능은 매우 높다. 현재의 GPU는 같은시기의 CPU에 비해 약 10배의 부동 소수점 연산 능력을 갖춘다. Larrabee의 목적도 그래서 범용 CPU의 10 배의 연산 능력을 실현하는 것이다. 그 연산 능력으로 무엇을 하는가? Intel은 "RMS"로 불리는 "Recognition (인식)", "Mining (분석 & 추출)", "Synthesis (합성) " 라는 새로운 유형의 응용 프로그램이 꽃 핀다 설명한다. Larrabee와 같은 매니 코어 CPU는 이를 위해 필요하다는 것이 Intel의 인식이다. Intel은 과학 기술 계산과 같은 특수한 분야뿐 아니라 일반 응용 프로그램과 맨 머신 인터페이스도 RMS를 도입하고 바뀌어 간다고 생각하고 있다. 이 인식은 CPU 업계에 공통된 것으로, 다른 CPU 제조사도 거의 같은 비전을 그리고 있다. 그리고 Intel 낸 최초의 답변이 Larrabee 인 것이다.

　Larrabee의 포인트는 CPU의 유연성 및 프로그램성의 장점을 유지하면서 GPU에 비해​​ 필적하는 스루풋 컴퓨팅용 프로세서를 만드는 것에 있다. Intel은 Larrabee의 CPU 코어는 PC 용 CPU 정도로 높은 싱글 스레드 성능은 갖지 않지만 OS를 달리는데 충분한 기능을 갖추고 있다고 설명한다. "Larrabee 코어는 비상한 고기능으로, 거의 모든 코드를 움직이는 것이 가능하다"고 Bill Mark 씨는 말한다.

 

이동식 Larrabee의 벡터 연산 유닛

　또한 Intel은 Larrabee의 설계에 즈음해, 전통적인 CPU의 스타일을 가지고 스칼라 연산 파이프와 GPU 스타일의 벡터 연산 파이프를 주의 깊게 분리한 디자인을 채택했다. Larrabee 스칼라 연산 파이프는 Pentium을 기반으로 하고 In-Order 실행 듀얼 이슈 파이프 라인을 가진다. 즉, Larrabee는 Pentium 상당 CPU에 강력한 벡터 연산 유닛을 더한 구조로 되어 있다. 스칼라 코어만 프로그램 한다면, x86 프로그래밍 경험자에게는 동작을 잘 알고 있는 CPU에 불과하다. 그리고 벡터 연산 파이프 부분은 현재의 Larrabee 스칼라 코어와는 다른 코어에 결합 할 수 있는 구조로 보인다.

　Gelsinger 씨는 Larrabee의 벡터 연산 파이프가 이동식이며, 다른 CPU 코어 (스칼라 파이프)와 조합 할 수 있음을 인정했다. Larrabee는 SSE와 같은 x86 명령의 SIMD 확장의 새로운 버전으로 볼 수도 있다고 한다. Larrabee 명령의 매핑 공간이 기존의 명령어와 중첩되지 않는 한 Larrabee 벡터 파이프를 이식 할 수 있다. 이 것은 Larrabee가 독립적인 프로젝트가 아니라 Intel의 SIMD 명령어 세트 확장의 일련의 흐름 속에 있고 만약 Larrabee 자체가 실패하더라도 그 자산은 활용될 가능성이 있다는 것을 의미한다.

 

Intel 아키텍처의 진화

 

 또한 이번 IDF에서 Larrabee의 소프트웨어 처리가 지금까지 알려진 이상으로 전체에 걸쳐있는 것으로 밝혀졌다. Intel 그래픽 펠로우인 Tom Piazza 씨는 Shop Talk에서 Larrabee의 작업 스케줄링은 완전히 소프트웨어로 행하는 것을 밝혔다. 현재 DirectX 10 GPU는 단일 쉐이더 작업 스케줄링은 하드웨어로 수행된다. Single Program, Multiple Data (SPMD) 실행으로 파이프 라인 제어, 개별 프로세서 클러스터 내에서 로드 밸런싱까지 하드웨어가 관리하는 스타일이 일반적이다. 이에 비해서, Larrabee는 이러한 스케줄링의 모든 것이 소프트웨어로 제어된다.

　이런 스타일도 Larrabee 코어 안의 벡터 유닛을 포터블 하게 된다. 또한 스케줄링의 유연성은 여러가지 가능성을 가지고 있다. 예를 들면, 현재의 GPU는 같은 SIMD 그룹에서 조건부 분기가 발생해 개별 레인의 실행 경로가 나눠진 경우에는 프로그램 전체의 실행 경로가 길어져 버린다. 그러나 Larrabee의 구조라면 분기에 따라 SIMD 그룹을 재편성 해  실행 경로를 단축하는 등 현재 벡터 머신에서 연구 된 접근방식을 구현할 수도 있다.

 

Intel은 새로운 언어 확장 "Ct"를 Larrabee를 위해 준비

　Intel은 IDF에서 데이터 병렬 컴퓨팅을 지원하는 소프트웨어 스택과 컴파일러로 있는 "Ct"와 Larrabee의 관계도 밝혔다. Ct는 "C for Throughput Computing"의 의미로 Intel이 연구를 하고 있는 C + + 데이터 병렬 컴퓨팅을 위한 확장이다. 대충 말하면, NVIDIA 용 C 언어 데이터 병렬 컴퓨팅을 위한 확장인 "CUDA (쿠다 : compute unified device architecture) '와 어느 정도 비슷한 역할을 한다. 데이터 병렬 하드웨어의 복잡성을 은폐하고 쉽게 다수의 코어상에서 프로그램 할 수 있도록 한다.

　CUDA와 같이 간단한 구문로 지정된 데이터 열에 대한 병렬 프로세싱을 타겟 프로세서와 벡터 유닛에 맞게 자동으로 전개한다. 셰이더 프로그램처럼 1 데이터 요소에 대한 프로그램을 자동으로 병렬화 하는 "Single Program, Multiple Data (SPMD)"은 아니지만 하드에 맞게 자동으로 병렬화하는 점은 SPMD 모델과 같다.

　Ct는 SSE 계 명령뿐 아니라 Sandy Bridge의 새로운 벡터 명령 "Intel Advanced Vector Extensions (Intel AVX)"Larrabee의 새로운 벡터 명령 "Larrabee New Instructions (LNI)" 여기에 미래의 명령도 지원한다. IDF 에서는 Core 2와 Larrabee뿐만 아니라 예를 들어, AVX를 구현한 범용 CPU 코어와 Larrabee CPU 코어의 하이브리드 구성과 같은 CPU에도 대응할 수 있다고 설명했다.

　Ct는 CUDA와 마찬가지로 타겟 프로세서 또는 호스트 CPU에 런타임 스택이 달려 JIT 컴파일러가 각 프로세서의 네이티브 명령으로 변환한다. Ct의 경우 타겟 프로세서의 벡터 (SIMD) 폭을 추상화 할뿐만 아니라, 코어 수, 메모리 모델, 캐시 크기 등 다양한 요소를 은폐하고 자동으로 최적화 한다고 한다. CUDA 보다 하드웨어를 추상화 하고 은폐한다. 따라서 네이티브 성능을 잘 끌어 내기 위해서는 컴파일러의 지능이 높아야 한다.

　또한 Intel은 Larrabee에 대한 Native C / C + + 컴파일러도 준비하고 있다. Native C / C + + 위에서는 벡터 폭이 노출되어 있으며, 프로그래머는 16-Wide 벡터를 직접 다룬다. 프로그램 난이도는 높지만, 직접 프로그램하여 스킬을 쌓으면 성능을 이끌어 낼 수 있다. 어렵지만 성능을 낼 수 있는 직접적인 프로그래밍과 간단하지만 간접적인 자동 병렬화 프로그래밍 모델의 2 종류를 준비하는 점이 직접 프로그래밍을 허락하지 않는 GPU와의 큰 차이가 있다.

 

Larrabee는 CPU와 비슷한 소프트웨어 스택을 채용

 

 

소프트웨어의 기회와 위험

 

 

Ct를 광범위하게 확대

 

 

Ct의 런타임 스택

 

 

Ct는 두 가지 방법을 사용가능

 

 

수동 튜닝과 동일한 수준의 성능을 실현

 

 

Ct의 Larrabee에서의 성능

 

 

데이터 병렬의 예

 

오프라인 렌더링을 더욱 실시간으로

　Larrabee의 높은 유연성은 GPU에서는 실현 할 수 없는 그래픽 표현을 가능하게 한다. 현재 GPU는 유연성이 증가했지만, 여전히 다양한 기능이 제한되어 있다. GPU는 쉐이더 프로세서를 탑재해 오프라인 렌더링 세계의 표현을 계속적 실시간 그래픽으로 가져왔다. 그러나 CPU로 시간을 들여 처리하는 오프라인 렌더링과 완전히 같은 수준의 품질은 아직 달성하지 못했다. 이번 Intel은 Larrabee 에서는 오프라인 렌더링으로 실현하고 있는 것 같은 품질을 실현 가능하게 되는 것을 보여 주었다.

　예를 들어, IDF 에서는 오프라인 렌더링으로 구현된 메서드 "A-Buffer" 를 Larrabee로 사용할 수 있다고 설명했다. 이것은 픽셀의 색상 정보를 기록 할 때 링크하는 Z 레인지나 커버리지의 비트 마스크와 같은 정보도 동시에 쓰는 수법이다. 장점은 겹치는 픽셀의 순서를 정확한 오더로 표현할 수 있는 것. 특히 반투명 픽셀을 표현하려고 하면 이 기능은 유용하다. Intel은 Chalk Talk에서 모든것이 프로그래밍 가능한 Larrabee는 A-Buffer도 구현 할 수 있음을 강조했다. IDF 에서 이 외에도 Irregular Z-Buffer 등의 메소드의 구현도 소개됐다.

　A-Buffer는 Microsoft도 향후 DirectX에 포함하려는 기능 목록에 들어 있었다. Larrabee는 그것을 선취한 모양으로, 이것은 프로그래머블한 유연성이 API의 속박에서 해방되는 것을 의미하고 있다. 기존의 GPU는 그래픽 API 마다 새로운 하드웨어 아키텍처로 쇄신 되었다. 구체적으로, DirectX 세대에 맞추어 각사 모두 하드웨어 아키텍처의 메이저 체인지를 했다. 이에 비해, Larrabee의 경우 소프트웨어 업데이트만으로 새로운 API에 대응되는 가능성이 높다. 예를 들어, Microsoft에서 DirectX 12를 출시 할 때 소프트웨어 업데이트로 대응할 수 있는 식이다.

 

소팅없이 투과 표현의 예

 

 

소팅 있는 투과 표현의 예

 

 

일반적인 쉐도우 맵 알고리즘

 

 

불규칙 Z-Buffer에 의한 그림자의 표현

 

 

포그있는 투명 표현의 예

 

 

쉐도우 맵과 불규칙 Z-Buffer의 비교

 

의문부호가 붙는 Larrabee의 효율성

　유연성이 높은 Larrabee 이지만 의문으로 남는 것은 GPU와 동등 이상의 성능을 달성 할 수 있는지 여부에 있다. IDF에서도 그 질문이 여러번 나왔지만, Intel은 주의 깊게 Larrabee와 GPU의 성능을 비교하는 언동을 피했다. 실제 Larrabee와 현재의 DirectX 10 세대 GPU는 프로세서의 유연성 등에 큰 차이가 있기 때문에 단순 비교는 어렵다.

　Larrabee에게 불리한 것은 소프트웨어 처리에 의한 유연성은, 효율성과의 트레이드 오프에 있다는 것이다. 일정한 고정된 처리를 행하면 고정 기능 하드웨어가, 프로그래머블 하드웨어보다 효율이 좋다. 따라서 현재의 GPU는 여전히 일정한 기능을 고정 하드웨어로 갖추고 있다.

　Larrabee의 유연성은 반대 측면에서 보면 고정 하드웨어를 생략하여 효율성을 희생하는 것을 의미하고 있다. 따라서 Larrabee는 같은 시기의 GPU에 비해​​ 일정한 전력당 성능에서는 불리해질 가능성이 있다. 이 경우 성능이라 말하는 것은 그래픽 처리 성능이다. 다만 Larrabee는 GPU와 달리 그래픽 처리에서도 온칩 메모리에 의한 데이터의 국소성을 더 많이 사용할 수 있기 때문에 단순히 고정 유닛과 프로그램 유닛의 효율성만으로는 성능을 추정 할 수 없다. 그러나 원리적으로 말하면, 전통적인 3D 그래픽으에서 풀 프로그래머블 프로세서가 반 고정 기능의 GPU를 추월하는 것은 어렵다. 적어도 동일한 수준에 세워서는 차이를 벌릴수는 없는 것이다.

　Intel의 전략 모순은 여기에 있다. 개별 그래픽을 원하는 사용자는 높은 그래픽스 성능을 요구한다. 거기에 침투시키기 위해서는 절대적인 성능 우위를 보일 필요가 있다. 바로 그 때문에 GPU 벤더는 치열한 성능 경쟁을 하고있다. 그것도 짧으면 반년주기로 하드웨어를 업데이트 갱신해 성능을 경쟁하고 있다. 칩의 개발 기간도 Intel과 비교하면 훨씬 짧고, 작은 회전이 효과가 있다. 예를 들면, Larrabee가 출시되면 성능에서 톱을 잡는다 해도 곧 GPU 벤더에 반격될 것이다. Intel은 그런 가혹한 전쟁에 세련된 Larrabee로 파고들려 한다.

　Larrabee가 어떤 의미에서 "소프트웨어 GPU"인 점도 의문을 불러 일으킨다. Intel이 기존의 통합 그래픽에서는 결코 우수한 소프트웨어를 제공하지 않았기 때문이다. 따라서 매니 코어 CPU 상에 GPU를 소프트웨어로 실현하는 Larrabee의 퀄리티에는 아직 의문보호가 붙어있다.

　하지만 GPU가 범용 컴퓨팅으로 크게 방향을 틀고, 그래픽스 API도 DirectX 11에서 더 프로그래머블로 향하고 있는 현재, Larrabee의 숨은 가능성이 크다. Larrabee가 가장 힘을 발휘하는 것은 범용 컴퓨팅 및 프로그램성을 늘리는 향후 그래픽이기 때문이다. 그러나, Intel은 제법 주의 깊게 Larrabee의 기획을 하지 않으면 그런 이점이 이해되고 성공으로 이어지지 않게 된다.

　만약 Intel이 Larrabee를 그래픽이 아닌 범용 컴퓨팅을 위한 매니 코어 CPU 제품으로 소개하는 경우에. Larrabee 아키텍처는 더 호의적으로 주목받을 가능성이 있다. 매니 코어 CPU로는 나름대로 이해되는 합리적인 설계이기 때문이다.

　그러나 이 경우에는 Intel은 Larrabee를 그래픽스 제품으로서 대형 시장에 침투시키는 것이 어렵다. 결국 HPC 시장 등 극히 일부에 밖에 침투되지 않는 제품으로 끝나 버릴 가능성이 있다. Intel의 마케팅 전략은 GPU와 정면으로 싸우고, 두드리며 그래픽으로도 침투시킬수 밖에 없다. 거기, Larrabee의 어려움이 있다.

 

 

2008년 8월 22일 기사 입니다.

 

 

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