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고사양의 게임을 생생하게 즐기려면 높은 사양의 그래픽 메모리는 필수입니다. 비단 게임뿐 아니라 고화질의 영상을 재생하기 위해서는 그래픽 메모리의 성능이 매우 중요한데요. 그렇다면 그래픽 메모리는 영상의 퀄리티를 어떻게 높여주는 걸까요? 또, 얼마나 빠른 속도로 데이터를 전송해야 할까요? 오늘 <궁금한 반도체 WHY> 3탄에서는 그래픽 메모리에 대한 궁금증을 함께 풀어보도록 하겠습니다.
영상의 퀄리티를 좌우하는 그래픽 메모리
모니터를 통해 보이는 이미지는 무수히 많은 점들로 이뤄져 있습니다. 그 작은 점을 픽셀(Pixel, 화소)이라고 하죠. 주로 해상도는 이미지의 가로 픽셀 수와 세로 픽셀 수를 곱하여 표현합니다. 예를 들어 Full HD(1,920 x 1,080)의 경우 가로는 1,920개, 세로는 1,8080개의 픽셀로 이루어져 총 2,073,600개의 픽셀로 이미지를 표현한다는 뜻이 됩니다.
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그런데 해상도만 높다고 고화질이라 할 수 있을까요? 같은 해상도일지라도 모니터의 크기가 커지면 픽셀의 크기도 커지기 때문에 선명도가 떨어집니다. 이처럼 해상도와 달리 화질을 나타내는 단위는 PPI(Pixels per Inch)라 하며, 1인치당 몇 개의 픽셀로 구성되는지를 나타냅니다.
이제 이미지 정보를 저장하기 위한 메모리 용량에 대해 생각해볼까요? 전체 이미지를 구성하는 픽셀은 각각의 색상 정보를 갖고 있어야 합니다. 일반적으로 빛의 삼원색인 빨강, 초록, 파란색을 각각 256(=28, 8bit) 개의 Gray Scale로 표시하면, 각 픽셀마다 24bit를 사용해 총천연색을 표시할 수 있습니다.
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위 그림과 같이 해상도 300 x 150의 SK하이닉스 로고 이미지를 24bit True Color로 표시하기 위한 메모리(=Frame Buffer) 크기는 가로 300개, 세로 150개, 그리고 각 픽셀마다 24bit의 데이터가 저장돼 있어야 합니다. 즉, 300 x 150 x 24 = 1,080Kbit = 135Kbyte 크기의 메모리가 필요하죠. 화면의 크기와 해상도가 증가할수록 메모리의 용량이 기하급수적으로 증가하게 되어 그래픽 메모리의 용량에 따라 해상도의 제한을 가져오게 됩니다.
고화질 영상을 재생하려면 데이터 처리 속도가 얼마나 빨라야 할까?
▲ 다양한 해상도에 따른 Frame Buffer size와 Display Bandwidth
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고화질 영상을 전달하기 위해서는 Frame Buffer Memory의 크기뿐만 데이터의 전달속도(Display Bandwidth) 또한 중요합니다. 즉, 동영상의 화면 깜박임을 못 느끼게 하려면 화면을 1초에 60회 이상 다시 바꿔줄 수 있는 속도가 필요한 것이죠. 예를 들어 1920 x 1080 HD TV급 해상도에서 24bit Color 이미지를 1초에 72회 보내는 동영상을 만들려면, 448MB/s의 속도(=Bandwidth)로 데이터를 보내야 끊기지 않는 영상을 볼 수 있습니다. 이를 Bandwidth라 하고 합니다.
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이렇게 고사양의 그래픽 메모리를 만족하기 위해서는 Bandwidth의 증가가 필요한데요. DDR Memory와 동일한 Core Speed에서 Graphic Memory는 데이터 분주와 I/O 증가를 통해 Bandwidth를 늘려왔으며, HBM(High Bandwidth Memory)에서는 I/O 개수를 1024개까지 늘려 Bandwidth를 획기적으로 늘릴 수 있게 되었습니다.
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최근 고성능 GPU 시장에서 관심을 받고 있는 고성능 HBM 제품의 경우, 일반 그래픽 메모리 대비 데이터 처리 속도가 8배 이상 빠릅니다. 이와 동일한 성능을 얻기 위해 16개의 GDDR5 대신 2개의 HBM2 Memory가 장착된 그래픽 카드가 출시되고 있습니다.
AI도 그래픽 메모리가 필수다
그래픽 메모리는 본래 고해상도의 영상처리를 위해 개발되었지만, 최근에는 AI(인공지능)가 가장 중요한 개발 분야로 급부상하고 있습니다. 그 중 머신러닝(Machine Learning)이란 인공지능의 한 분야로, 모든 정보를 제공받아 답을 찾는 과거 컴퓨팅 방식 대신 컴퓨터 소프트웨어가 스스로 이미지와 음성, 텍스트 등을 인식하고 특정 패턴을 이해하며 예측하도록 만드는 딥러닝(Deep Learning) 기술을 말하는데요.
이처럼 기계가 인간의 뇌와 같이 방대한 자료를 처리하고, 다양한 패턴 분석과 최적화 작업을 위해 하기 위해서는 단순 연산을 처리하는 CPU보다는 동시다발적으로 처리할 수 있도록 내부에 수많은 연산 코어가 들어 있는 GPU가 필요합니다. 그리고 이를 지원할 수 있는 고사양의 그래픽 메모리가 요구되고 있습니다.
그래픽 메모리에 대한 궁금증이 어느 정도 해소되셨나요? 이번 편은 영상시대를 살고 있는 우리에게 그래픽 메모리는 없어서는 안 될 중요한 존재라는 것을 알 수 있었던 시간이었습니다. <궁금한 반도체 WHY> 시리즈는 반도체 관련 주제에 대한 여러분의 궁금증이 해소되는 그날까지 함께 합니다. 4탄도 많이 기대해주세요~!
