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컴퓨터 / 하드웨어 : 컴퓨터와 하드웨어, 주변기기에 관련된 이야기, 소식, 테스트, 정보를 올리는 게시판입니다.

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참고/링크 http://pc.watch.impress.co.jp/docs/colum...09777.html

높은 순위의 작업 스케줄링을 빠르게


AMD는 새로운 GPU인 라데온 RX 480에서 폴라리스 아키텍처 GPU의 프론트 엔드 제어 프로세서 군을 강화했습니다. 명령 프로세서 및 ACE (Asynchronous Compute Engine) 이외에 하드웨어 스케줄러 (Hardware Scheduler : HWS)를 탑재했습니다. 하드웨어 스케줄러에 의해 낮은 지연 시간으로 GPU 상태에 치밀하게 대응한 작업 스케줄링이 가능하게 됩니다.

 

GPU의 작업 스케줄링은 원래 많은 부분을 CPU에서 실행하는 소프트웨어로 수행했습니다. 폴라리스는 그 일부를 GPU 하드웨어로 옮겼습니다. 보다 정확히는 GPU 컨트롤러에서 실행하는 펌웨어로 바꾸었지요. 이것은 GPU가 직접 제어한다는 점에서 큰 변화가 됩니다. 이런 방향으로 진화가 지속되면 AMD의 GPU는 다양한 응용 프로그램을 작업 단위에 관계없이 효율적으로 구동할 수 있는 아키텍처로 진화할 것입니다.

 

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라데온 RX 480(폴라리스 10)의 프론트 엔드. 하드웨어 스케줄러가 더해졌습니다.

 

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하드웨어 스케줄러의 장점은 GPU에서 작업을 제어하면서, 낮은 지연 시간으로 효율적인 스케줄링이 가능하게 된다는 것입니다. 덕분에 복잡하고 정교한 스케줄링 방법을 도입할 수 있게 되지요. AMD의 GPU 아키텍처를 담당하는 Mike Mantor(Senior Fellow Architect, RTG, AMD)는 다음과 같이 말합니다.

 

"예약된 작업을 GPU 하드웨어로 이동시키면 보다 효율적이고 응답성이 좋아집니다. 그 결과 스케줄링에 새로운 기능을 추가할 수있게 됩니다. 하드웨어 스케줄러는 프로그램보다 유연한 기능을 많이 갖고 있습니다. 아직까진 아직 극히 일부만 쓰고 있지요.

 

하드웨어 스케줄러에서 가장 먼저 구현한 것은 높은 우선 순위의 스케줄링입니다. 큐 ACE 엔진에 맵핑할 때 하드웨어 스케줄러가 높은 우선 순위 대기열로 설정합니다. 하드웨어 스케줄러에 의한 높은 우선 순위의 장점은 지연 시간이 매우 낮다는 것입니다."

 

폴라리스 아키텍처는 하드웨어 스케줄러가 작업을 높은 우선 순위 대기열에 매핑하면 특별한 메커니즘이 작동합니다. 맵핑되면 하드웨어가 해당 작업에 할당된 메모리와 레지스터에 대한 액세스 권한을 즉시 확보한다. 할당된 메모리 위치와 레지스터가 높은 우선 순위 작업의 트리거가 됩니다. 트리거를 받아 실행 엔진인 쉐이더 배열에서 작업을 수행하는 쓰레드에 배치해 웨이프론트가 시작, 오픈된 CU에서 실행이 시작됩니다.

 

AMD의 GCN 아키텍처는 컴퓨팅을 위한 명령 프로세서인 ACE를 비동기적으로 워크 그룹을 쉐이더 프로세서 어레이에 할당합니다. 할당은 동적으로 행해지기에 AMD GPU는 비동기적으로 GPU의 작업 할당 및 분할이 동적 변화합니다. 원래 AMD 아키텍처에서는 각 작업에 컴퓨팅 자원의 할당을 고정한 것이 아니라 완전히 동적으로 수행합니다.

 

이때 작업은 일반적으로 작업 큐의 순서대로 실행 리소스에 할당합니다. 그러나 높은 우선 순위가 설정된 대기열의 작업은 다른 작업보다 우선 실행됩니다. 그 때의 우선 순위 처리가 하드웨어 스케줄러에 의해 지연 시간이 낮습니다.

 

까다로운 작업의 우선 순위의 설정 자체는 기존에도 컴퓨팅 작업을 처리하는 ACE 등으로 구현되어 있으며, 하드웨어 스케줄러가 없어도 가능합니다. 그러나 하드웨어 스케줄러가 계속 짧은 지연 시간으로 높은 우선 순위 태스크가 실행됩니다. 따라서 우선 순위가 높으면 응답성이 더 높아 우선 순위 큐의 장점이 커집니다.

 

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라데온 RX 480, 폴라리스 10의 전체 구성

 

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GPU를 제어하는 명령 프로세서. AMD는 이 부분을 지속적으로 강화하고 있습니다.

 

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현재 AMD GPU 중 가장 큰 라데온 R9 퓨리(피지) 코어는 1개의 명령 프로세서와 8개의 ACE를 갖춥니다.

 

 

 

실시간 응용 프로그램의 실행을 가능하게


AMD GPU 하드웨어 스케줄러의 장점을 잘 살리는 부분 중 하나가 실시간 예약입니다. 이를 통해 GPU를 실시간 처리하는 DSP (Digital Signal Processor)처럼 사용할 수 있다고 합니다. 그래픽 작업이 실행되는 동안 실시간 경향이 높은 작업을 GPU로 실행한다는 건 지금까지 아주 현실적이지는 않았습니다. AMD의 Mantor는 다음과 같이 설명합니다.

 

"특정 작업을 원활하게 수행할 수 있도록 하는 실시간 스케줄링도, 하드웨어 스케줄러 구현해 실시간 처리가 필요한 애플리케이션에 적용합니다. 실시간 큐를 설정하여 실시간 작업을 대기열에 맵핑, 실시간 프로세스가 실행하는 동안 계속해서 실시간 스케줄링을 수행합니다.

 

실시간 작업은 응답성이 중요합니다. 따라서 작업을 전환해 사용할 수 있는 자원의 확보, 시간적으로나 공간적인 자원의 할당이 필요합니다. 그래서 자원 리저베이션을 도입했습니다.

 

우리가 실시간 큐를 처음으로 적용한 것은 오디오 프로세싱부터입니다. 오디오는 실시간 처리가 매우 중요한 작업입니다. 그래서 오디오 작업 일정의 컴퓨팅 자원을 예약해 그 자원을 점유하던 작업을 잠시 내려놓습니다. 그리고 그 자원은 다른 작업이 쓰지 못하도록 예약합니다."

 

실시간 스케줄링에서도 특수한 실시간 속성 태스크 큐를 설정합니다. 실시간 큐에 담긴 작업에는 일정한 GPU 자원이 할당됩니다. 할당된 자원에서 충돌이 발생하지 않기에 작업 실행의 응답성이 매우 높아집니다. 오디오 프로세싱처럼 중간에 중단하는 것을 허용하지 않는 작업에 아주 효과적입니다.

 

 

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AMD는 라데온 R9 290(하와이)에서 트루오디오라 이름 붙인 프로그래머블 오디오 DSP를 탑재했습니다.

 

폴라리스 아키텍처는 실시간 예약으로 오디오 작업을 쉐이더 어레이에서 실행합니다. 따라서 기존의 AMD GPU가 제공 한 Tensilica 오디오 DSP 코어는 폴라리스에서 빠졌습니다. GPU의 일부를 DSP로 사용할 수 있게되서입니다.

 

기존의 AMD GPU는 프로세싱 능력이 제한된 DSP에서 TrueAudio을 실행했습니다. 따라서 복잡한 오디오 처리에선 DSP의 성능이 부족한 경우가 발생했습니다. 그러나 폴라리스 아키텍처는 컴퓨팅 리소스에 여유가 있는 한 트루오디오에 자원을 할당하기에 복잡한 오디오 처리도 원활하게 수행할 수 있습니다.

 

이것은 3D 오디오 처리가 매우 중요해진 가상 현실에서 큰 장점이 됩니다. 리얼타임 DSP를 수행하는 폴라리스 GPU에선 필요한 만큼의 컴퓨팅 자원으로 고급 오디오 처리를 수행할 수 있습니다. AMD는 현재 오디오 및 그래픽 리소스에 예약을 적용하고 있는데, 아래에서 말하겠지만 그래픽에서 자원 예약은 가상 현실에서 유효하게 작동합니다.

 

실시간 스케줄링에서 어려운 점은 워크로드에 대해 적절한 양의 자원을 예약하는 방법입니다. 과도하게 자원을 할당하면 다른 작업 수행이 압박을 받습니다. 자원에 제약이 있으니 API가 필요 충분한 자원 할당을 관리할 수​​ 있도록 만들 필요가 있습니다. 따라서 실시간 스케줄링의 개발은 매우 복잡한 과정이 된다네요.

 

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GPU 실행 모델 계층. 폴라리스는 명령 프로세서 부분이 대폭 강화됐습니다.

 

 

 

가상 현실에서 문제가 되는 작업 스케줄링


AMD는 가상 현실(VR)을 위한 API 세트인 Liquid VR API에서 Quick Response Queue라고 이름 붙인 큐를 발표했습니다. Liquid VR은 렌더링 엔진이 그려낸 이미지를 사용자의 움직임에 따라 수정하는 Asynchronous Time Warp (ATW)를 병행 수행합니다.

 

ATW는 컴퓨팅 작업으로 그래픽스 태스크와 함께 실행됩니다. VR 헤드 마운트의 움직임을 추적할 필요가 있기에 낮은 지연 시간이 중요합니다. Quick Response Queue의 예약은 어떻게 되는 걸까요?

 

"Quick Response Queue는 마케팅적인 이름입니다'라며 AMD의 Mantor는 웃었습니다. "실제로 수행하는 건 높은 우선 순위의 큐입니다 .Quick Response Queue에서는 작업의 우선 순위를 높이는 것만으로 실시간 큐 같은 자원 예약은 하지 않습니다. 그러나 큐를 높은 우선 순위로 맵핑하기 위해 다음 웨이브 프론트 출고에 우선 파견합니다.

 

ATW도 물론 자원 리저베이션을 사용할 수 있고, 조기 클린업 공간을 사용할 수도 있습니다. 그러나 지금은 높은 우선 순위로 낮은 지연 시간에 쉐이더 배열에 넣는 것만으로 충분하다고 생각했습니다. 만약 불충분하면 언제든지 다른 스케줄링으로 바꿀 수 있습니다."

 

ATW의 스케줄링에 대해서는 AMD가 2015년에 문제 제기를 한 바 있습니다. 가상 현실에서는 머리를 움직임에 따라 HMD에 표시되는 화면이 움직일 필요가 있습니다. 이 움직임을 제 때 따라가지 못하면 VR 멀미가 생기게 됩니다. 하지만 3D 그래픽 렌더링에선 일정한 시간이 걸리기에 렌더링을 실시간으로 추적하기가 어렵습니다.

 

그래서 현재 VR은 VR 헤드셋 화면을 그리는 동기화 타이밍에서 앞뒤가 맞도록 그림을 표시하는 기법을 도입했습니다. 이것이 ATW로 렌더링된 이미지에 표시하는 타이밍과, 머리의 위치와 렌더링된 이미지가 어긋난 경우 보정을 수행합니다. 렌더링된 이미지를 머리 위치의 이동에 맞춰 표현하는 것입니다.

 

 

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VR HMD에 필요한 비동기 ATW 처리

 

 

선점 처리로 해결이 어려운 ATW 태스크

 

문제는 이 ATW 작업은 컴퓨팅 작업이라는 겁니다. 가능한 짧은 시간에 화면의 동기화 타이밍까지 워프한 그림을 생성해야 합니다. 그러나 GPU는 그래픽스 태스크를 연속 실행합니다. 따라서 ATW의 워크로드를 우선시하여 컴퓨팅 자원을 쏟아넣고 단시간에 처리하는 것이 바람직합니다.

 

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Present가 위치한 곳이 렌더링의 VSync 싱크로 포인트입니다. 이 시기의 HMD 위치에 맞춰 렌더링할 필요가 있습니다.

 

AMD는 작년 봄의 GDC(Game Developers Conference)에서 이 문제를 자세히 설명했습니다.

 

먼저 GPU 코어가 한 번에 하나의 명령 스트림만 처리할 수 ​​없는 경우나, 여러 작업을 병렬로 실행시켜 우선 순위를 매기지 않는 경우, ATW 작업은 시간이 걸릴 가능성이 있습니다. 1 스트림만 실행할 수 없으며, 선점할 수 없는 경우 그래픽스 태스크가 끝날 때까지 ATW가 기다리게 됩니다. 대기 시간을 예측할 수 없기에 고품질 ATW는 매우 어려워집니다.

 

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위의 파란색 작업과 아래의 빨간색 작업을 GPU가 교대로 실행합니다.

 

선점에 의한 컨텍스트 스위칭을 사용하여 자원을 점유하는 작업을 모두 강제적으로 스위치시키는 방법도 있습니다. ATW의 경우 실행하는 그래픽스 태스크를 선점해서 정지시키고 ATW 작업을 실행하게 됩니다. 그러나 이 경우 GPU는 컨텍스트가 크기에 선점 컨텍스트 스위칭 저장소를 복원하는 데 지연 시간이 발생, 효율이 나빠집니다.

 

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위쪽 파란색 작업을 선점 중단하고 아래의 보라색의 작업을 컨텍스트 스위치 중단시키면, 스위칭 오버 헤드가 발생해 효율이 떨어집니다


위 방법과 다르게 많은 작업을 동시에 GPU로 파티셔닝 실행하고 작업을 제어할 수 있다면 구조가 깔끔해집니다. ATW의 경우 그래픽스 태스크가 실행하는 상태에서 ATW 작업을 넣을 수 있습니다. 그 때 ATW 작업의 우선 순위를 높게 설정하면 많은 자원을 할당, ATW 작업이 단시간에 끝납니다.
 

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위의 파란색 르래픽 태스크와 아래의 보라색 컴퓨팅 작업을 병렬 실행합니다.

 

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QOS를 수행한 비동기 ATW 작업의 경우 우선적으로 ATW가 처리되기에 Present 시점에 맞춘 이미지를 만들 수 있습니다.

 

 

실제로 AMD GPU가 수행하는 스케줄링은 ATW 작업을 우선 순위 작업으로 설정합니다. 그러나 컴퓨팅 작업이 빈 시점에 우선 순위가 낮은 작업이 아닌, ATW 작업을 우선적으로 할당합니다. 그래픽스 태스크보다 ATW를 우선합니다.

 

하지만 그러면 그래픽 처리가 완전히 멈춰 버리는 문제가 발생하는 경우가 나옵니다. 그래서 AMD는 그래픽스 태스크에 일정한 자원을 예약, 높은 우선 순위의 ATW 작업이 들어왔다 때도 최소한의 그래픽 작업은 컴퓨팅 리소스를 실행하도록 합니다. 아래 그림에서 빨간 ATW가 우선적으로 나온 후에도 회색의 그래픽 워크로드가 일정량 남아 실행되는 게 그 예입니다.

 

 

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ATW의 Quick Response Queue에서 워크로드의 행동

 

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이러한 ATW의 Quick Response Queue의 수행에서 폴라리스의 하드웨어 스케줄러는 어떻게 도움이 될까요. 우선 작업 ATW의 지연 시간이 더 짧아지고 더 효율적으로 변합니다. 그만큼 신속하게 ATW 작업이 실행됩니다. 이것은 지연이 중요한 VR에서는 큰 장점이 됩니다. 반면 그래픽스 태스크는 부하에 따라 유연하게 자원을 예약합니다.

 

 

새로운 스케줄링의 도입을 기대할 수 있는 하드웨어 스케줄러

 

하드웨어 스케줄러의 도입은 GPU 작업 스케줄링을 진화시킬 가능성을 가지고 있습니다. AMD의 Mantor는 아직 시작에 불과하다고 말합니다.

 

"우리는 현재 다양한 스케줄링이 가능합니다. 실시간 컴퓨팅 높은 우선 순위의 백그라운드 컴퓨팅이 가능합니다. 또한 다른 컴퓨팅 작업을 선점에서 컨텍스트 스위치할 수 있습니다. 또한 그 정책을 모두 제어 하는 것도 가능합니다.

 

그러나 하드웨어 스케줄러는 더 많은 가능성이 있습니다. 예를 들어 실시간 스케줄링에서도 하드웨어 스케줄러의 기능은 매우 유연하기에 다양한 구현에 대응할 수 있습니다. 현재는 비교적 간단한 예약을 수행하지만, 앞으론 다른 실시간 스케줄링도 도입할 것입니다.

 

예를 들어 특정 시점이나 조건에 따라 실시간 작업을 재개할 수 있습니다. 이에 따라 실시간 작업을 우선 수행해 자원을 예약하는 등의 태스크가 가능합니다."

 

AMD의 하드웨어 스케줄러의 활용은 아직 초보 수준으로 앞으로 더욱 확장될 것입니다. 그래픽 및 컴퓨팅 등이 뒤섞이면 하드웨어 스케줄러의 효력이 나옵니다. 컴퓨팅 작업도 많은 작업을 동시 실행하면 더 복잡한 스케줄링이 필요해질 것입니다.

 

하드웨어 스케줄러로 실행하는 코드는 커널 모드 드라이버의 일부처럼 보입니다. 그래서 응용 프로그램은 하드웨어 스케줄러를 제어할 수 있습니다. 덕분에 대기 시간이 단축되고 다양한 스케줄링이 가능합니다. GPU는 작업 스케줄링에서도 더욱 범용 프로세서로 바뀌고 있습니다.

 

"앞으로 하드웨어 스케줄러는 GPU의 예약에 관한 모든 작업을 수행할 수 있게 될 것입니다. GPU의 스케줄링에 CPU가 완전히 손을 때야 할 것으로 봅니다. 그러나 그렇게되면 OS의 작업 스케줄링과 비슷한 수준으로 복잡해지니 다양한 문제를 해결해야 할 것입니다."(Mantor, AMD)

 

OS와 다른 건 메모리 및 메모리 관리로서, 그래픽 내용은 메모리 작업을 명시하기 위해 새로운 API가 필요합니다. 다이렉트 X 12와 벌칸 같은 새로운 API는 새로운 메모리 관리 모델을 갖추고 있어 사용자 큐에서 대기가 가능합니다. 따라서 하드웨어 스케줄러와 친화성이 높습니다.

 

실제로 새로운 API는 비동기 컴퓨팅 작업의 할당이 행해지는 Asynchronous Compute를 지원합니다. AMD GPU는 원래 비동기 작업 그룹을 할당하고 있습니다. 그것이 새로운 API에 의해 명시적으로 유효하게 쓰이며, 또한 하드웨어 스케줄러에 의해 보다 신속하고 유연하게 제어할 수 있게 됐습니다. "하드웨어 스케줄러와 새로운 API는 HSA (Heterogeneous System Architecture) 기능을 그래픽에 반입할 수 있게 됐습니다"라고 Mantor는 말합니다.

 

AMD 폴라리스 하드웨어 스케줄러를 통해, GPU를 제어하는​​ 마이크로 컨트롤러가 보다 향상되면서, CPU에서 GPU로 처리 과정이 옮겨갔습니다. GPU의 CPU 의존도가 또 감사된 것이지요. GPU의 큰 약점이었던 태스크 스케줄링의 문제가 해소됐습니다. 긴 안목으로 보면 GPU가 독립적인 프로세서로 변해가는 그 과정 중에 AMD는가 또 한단계 나아갔다고 생각할 수도 있습니다.




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