GPGPU & Unity Compute Shader 기초

사내에서, GPGPU와 Unity를 활용한 Compute Shader에 대해 세미나를 진행할 일이 생겨서 PPT를 정리하면서 개념을 다시 한번 요약해보았다. 석/박때 공부했던 내용들과 최근에 올라온 각종 자료들을 취합해서 요약한 자료를 블로그에도 포스팅한다. 기회가 되면 유니티에서 활용하기 쉬운 예제들로 포스팅을 이어가볼 예정이다.

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• GPGPU
  • General-Purpose computing on Graphics Processing Units
  • 일반적으로 컴퓨터 그래픽스를 위한 계산만 맡았던 그래픽 처리 장치(GPU)를, 전통적으로 중앙 처리 장치(CPU)가 맡았던 응용 프로그램들의 계산에 사용하는 기술
  • GPGPU 구현 API & 프레임워크
    • OpenGL Compute Shader
    • DirectX DirectCompute
    • OpenCL
    • CUDA (“Compute Unified Device Architecture”, 쿠다)
      • GPU를 이용하여 C-언어를 비롯한 각종 표준 언어를 사용하여 computer graphics 작업이 아니라 일반적인 과학기술용 해석작업을 수행할 수 있도록 하는 GPGPU의 발전 형태
      • NVIDIA에서 개발하고 있어, CUDA 프로그래밍을 위해서는 NVIDIA GPU가 필수적임

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• CPU vs GPU Architecture
  • GPU는 CPU에 비해 월등히 많은 양의 ALU를 보유하고 있어, 대용량 연산에 용이함

CPU vs GPU Architecture

 

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• Compute Shader
  • OpenGL 4.3에서 등장한 GLSL 기반 연산용 쉐이더
  • GPGPU 환경을 구축할 수 있으며, CPU와 GPU 간 Buffer 통신을 지원함

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• Unity Compute Shader
  • DirectX 11 스타일의 HLSL로 구현된 연산용 쉐이더
  • VFX Graph도 Compute Shader를 사용함
  • 확장자는 .compute를 사용함
  • Kernel, Thread, Thread Group의 개념이 존재함

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• Kernel
  • GPU에서 동작하는 함수
  • 함수의 이름 = 커널의 이름
  • #pragma kernel functionName

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• Thread
  • 커널을 실행하는 단위
  • 하나의 스레드가 하나의 커널을 실행함
  • 스레드의 개수는 3차원으로 구성됨(x, y, z)
  • 커널 선언부 상단에 [numthreads(x, y, z)]를 붙여 스레드의 개수를 3차원으로 지정함

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• Thread Group
  • 하나의 스레드 그룹 당 [numthread(x, y, z)] 로 지정된 개수만큼의 스레드를 실행함
  • 스레드 그룹의 개수는 Compute Shader 객체를 실행할 때 지정함
  • Dispatch 함수로 객체를 실행할 수 있음
  • 개수는 3차원(x, y, z)로 구성됨

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• Unity ComputeShader Class API
  • Dispatch(int kernalIndex, int x, int y, int z) : void
  • FindKernal(string name) : int
  • GetKernelThreadGroupSize(...) : void
  • SetFloat(...) : void
  • SetFloats(...) : void
  • SetVector(...) : void
  • SetMatrix(...) : void
  • SetTexture(...) : void
  • SetBuffer(...) : void
  • GetBuffer(...) : ComputeBuffer

SMALL

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• Compute Buffer
  • Compute Shader를 사용할 때 CPU와 GPU 간 데이터 통신을 위해 사용하는 Class
  • Compute Shader뿐 아니라, Vertex / Fragment / Geometry 등 다양한 쉐이더에서 사용할 수 있음
  • 쉐이더 내부에서는 RWStructuredBuffer<T>, StructuredBuffer<T> 타입으로 매핑됨
  • 개별 타입(float, Vector4 등) 또는 구조체의 배열 변수를 공유 데이터로 사용함
    • 구조체를 사용할 경우 CPU & GPU 모두 동일하게 선언해야함

CPU에서 선언한 CollidableCubeStruct 구조체

GPU에서 선언한 CollidableCubeStruct 구조체

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• Unity ComputeBuffer Class API
  • SetData(...) : void
    • SetData(Array data)
    • SetData(List<T> data)
    • SetData(NativeArray<T> data)
    • SetData(data, int arrayIndex, int bufferIndex, int count)
  • GetData(...) : void
    • GetData(Array data)
    • GetData(Array data, int arrayIndex, int bufferIndex, int count)
  • Release() : void
    • Compute Buffer 해제 / OnDestroy()에서 호출해줘야 함

[GPU]

 

[CPU]