‘부두부터 지포스·라데온’까지... 속성으로 보는 그래픽카드 발전사

지금이야 중앙처리장치(CPU)에 다 포함되어 있지만, 과거 PC를 구성하고 이를 모니터로 보려면 ‘그래픽카드’가 반드시 필요했다. 이것이 없으면 아무리 좋은 것을 가져다 놓아도 구동이 불가능했으니 말이다. 이를 해결하기 위해 메인보드 내에 그래픽 컨트롤러를 탑재하기도 했지만, 절망적인 성능 때문에 자연스레 그래픽카드를 찾는 소비자도 있었다.

 

지금의 그래픽카드는 실로 다양한 일을 수행한다. 단순히 화려한 3D 그래픽 효과를 그려내는 것에서 멈추지 않고, 복잡한 연산을 수행하거나 우리가 보는 초고화질 영상을 매끄럽게 변환해 주기도 한다. 장르가 다르기 때문에 직접적인 비교는 어렵지만, 단순히 트랜지스터 집적도만 놓고 보더라도 이미 그래픽 프로세서는 CPU를 압도적으로 뛰어 넘었다. 현재 선보인 지포스 GTX 1080의 트랜지스터가 170억 개이니, 현재 데스크탑 CPU 중 최고라 일컫는 코어 i7 6950X의 70억 개 수준과 비교해도 눈에 띄는 수치라 하겠다.

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▲ 현재 그래픽카드는 다방면에서 맹활약 중이다.

 

이런 그래픽카드가 어느 순간 갑자기 나타난 것은 아니었다. 본격적인 3D 가속 시대가 열린 것은 1990년 대 중반 이후로 본다. 그렇다면 우리가 현재 쓰고 있는 그래픽카드의 조상들은 어떤 모습이었을까? 그래픽카드 발전사를 한 번 되새겨 보는 자리를 마련했다.

 

그래픽카드는 왜 사용하는 겁니까?
지금의 그래픽카드는 PC의 화면을 TV나 모니터 등 여러 영상출력장치로 볼 수 있게 하는 역할 외에도 게임이나 초고화질 영상, 다양한 컴퓨팅 가속 처리에 쓰일 정도로 다양하게 쓰인다. 과거처럼 모든 작업을 CPU에 의존하던 시절에는 가속보다 영상을 표시하는 영역에 더 초점이 맞춰져 있었다. 당연히 3D 가속 성능은 떨어졌고, 영상 처리라고 하기엔 그 기능이 제한적이었다.

 

현재는 이런 기능도 CPU에 포함되어 제공된다. 인텔과 AMD는 각각 HD 그래픽스(Graphics)와 라데온 R 시리즈 그래픽 프로세서를 CPU 다이 안에 집적, 일반 소비자 시장에 다양한 형태로 출시 중이다. 과거에는 내장 그래픽 코어를 메인보드에 따로 탑재하는 식으로 제공됐었다.

 

그래픽카드를 사용하는 이유는 예나 지금이나 큰 차이가 없다. 3D 그래픽을 가속해 게임을 즐기거나, 탑재된 그래픽 프로세서의 특징인 병렬 컴퓨팅을 앞세운 영상 변환, 작업 속도 가속 등의 혜택을 누릴 수 있다. 이런 작업이 CPU와 별개로 이뤄지니 자연스레 데이터 처리 과정에서의 부하는 줄어들어 전반적인 컴퓨팅 성능이 향상되는 결과를 가져오기도 했다.

 

현재 그래픽카드는 내장과 외장으로 나뉘어 있다. 따라서 시스템 환경에 따라 자연스레 선택 가능하게 됐다. 그럼에도 그래픽카드를 쓰는 것은 내장 그래픽 프로세서보다 더 나은 성능을 만끽하기 위해서라고 보는 것이 타당해 보인다.

 

1990년 대 이후 그래픽카드 - 화면 출력에서 3D 가속으로
PC 그래픽카드는 IBM을 통해 1981년 공개된 것으로 알려져 있다. 모노크롬 디스플레이 어댑터(MDA)라는 이름으로 도입된 것인데, 말 그대로 80열과 25줄의 문자열을 출력했을 정도에 그쳤다. 이 외에 타 그래픽 모드는 제공되지 않은 것으로 알려져 있다. 당시에는 4KB 용량의 비디오 메모리를 탑재했는데, 문자 처리에 쓰였다. 이후 몇 가지 그래픽카드가 등장했는데, 컬러 그래픽스 어댑터(CGA)와 허큘리스 그래픽카드가 대표적이다.

 

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▲ 최초의 그래픽카드는 흑백 문자를 처리할 수 있었다. (이미지 출처-위키백과)

 

CGA는 IBM의 첫 컬러 그래픽카드다. 최대 4비트 색상 표현이 가능했는데, 이는 16색 팔레트에 해당된다. 검은색과 함께 빨강, 파랑, 초록을 중심으로 해당 색을 섞으면서 표현하는 구조인 것으로 알려져 있다. 텍스트 모드는 40열 x 25줄(320 x 200), 80열 x 25줄(640 x 200)을 각각 지원했다. 비디오 메모리는 16KB 용량을 쓴 것으로 알려져 있다.

 

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▲ MDA보다 뛰어난 성능을 보였던 허큘리스 그래픽 카드. (이미지 출처-위키백과)

 

HGC(Hercules Graphics Card)는 허큘리스 컴퓨터 테크놀러지 사가 개발한 그래픽 컨트롤러다. 고해상도 텍스트 모드와 단일 그래픽 모드를 지원했다. CGA보다 더 높은 해상도(720 x 348)를 구현했기 때문에 시장에서 좋은 반응을 얻었다고 한다.

 

본격적인 그래픽카드의 시작이라고 하면 1995년 이후를 꼽는다. 이 때, 매트록스(Matrox)와 S3, ATI 등이 제품을 선보이기 시작했다. 윈도 95에 DirectX가 도입되면서 본격적인 3D 가속 시대가 도래했다. 매트록스는 1994년에 매트록스 임프레션(Impression)과 밀레니엄(Millennium)을 선보였다. S3 그래픽스는 비전 864/964에 이어 램댁과 그래픽 가속을 더한 S3 트리오(Trio) 등을 선보였다. ATI는 레이지(Rage) 시리즈 등을 선보였다.

 
▲ 3dfx가 선보인 부두 그래픽카드는 신선한 충격을 줬다.

 

1996년에 선보인 3dfx의 부두(Voodoo)는 업계에 파란을 일으키기에 충분했다. 당시 부두는 제대로 된 3D 그래픽 처리 성능과 효과를 지원하고 있었다. 또한 마이크로소프트 DirectX의 Direct3D와 경쟁하는 글라이드(Glide) API를 지원해 성능을 최대한 끌어낼 수 있었다.

 

부두는 첫 그래픽카드의 성공 이후로 부두 러시(1997)와 부두2(1998)를 연이어 선보이게 된다. 동시에 시장 확대를 위해 부두 밴시(1998)도 함께 투입하기도 했다. 당시 등장한 그래픽카드 전용 슬롯인 AGP를 지원했던 이 그래픽카드는 8MB와 16MB 용량의 비디오 메모리를 탑재했다.

 

3dfx의 부두 등장 이후 그래픽카드 시장은 후끈 달아오르기 시작했다. ATI는 레이지 프로(Rage Pro)와 레이지 128을 차례로 선보이며 부두에 대항해 왔다. 매트록스는 미스틱(Mystique), 밀레니엄 시리즈를 계속 선보이며 기업용과 전문가 시장을 공략하고 있었다. 3S 그래픽스는 버지(ViRGE) 시리즈로 뜨거운 열기에 동참했다.

 

잘 알려진 엔비디아도 1995년에 NV1이라는 이름으로 3D 그래픽카드 시장에 출사표를 던졌다. 하지만 반응은 그렇게 좋지 않았는데, 2년 후에 선보인 코드명 NV3로 알려진 리바(RIVA) 128은 부두에 견줄 라이벌로 만들어주기에 충분한 성능을 보였다. 당시 리바 128은 4MB와 8MB의 비디오 메모리를 탑재하고 있었다. DirectX 5.0을 지원했고, 코어와 메모리 속도가 각각 100MHz로 작동했다.

 

2000년 대 초반 이후 그래픽카드 - 약육강식의 시대
시장이 본격적으로 재편되기 시작한 것은 1999~2000년 대라 하겠다. 윈도 98로 이어지며 업데이트되던 DirectX에 적절히 대응하지 못한 기업은 도태되기 시작한 것도 이 때라 하겠다. 특히 S3 그래픽스, 매트록스, 3dfx 등이 주춤하기 시작했다. 시장은 엔비디아의 지포스(GeForce)와 ATI 라데온(Radeon)으로 압축되는 분위기였다.

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▲ 매트록스 파헬리아. 기존 제품 대비 성능 향상이 있었으나, 타 제품에 미치지 못했다.

 

매트록스는 밀레니엄 G100, G200이 시장에서 좋은 반응을 얻은 이후 G400, G450 시리즈를 선보였다. 그러나 3D 가속보다는 주 수요층이 전문가나 기업 시장에 국한되어 있었다. 뿐만 아니라, 이렇다 할 제품이 없었다. 3D 기술이 빠르게 발전했지만 매트록스는 이에 적절히 대응하지 못했다.

 

이를 타개하기 위해 선보였던 제품은 파헬리아(Parhelia)였다. 기존 밀레니엄 시리즈의 장점인 멀티 디스플레이 기능은 물론 기가컬러, 3D 가속 성능과 안티 앨러이싱(Anti-Aliasing) 등이 적용됐지만 최신 제품임에도 불구하고 엔비디아나 ATI의 성능에 뒤쳐지면서 성공을 거두진 못했다. 이후 다양한 제품을 선보이긴 했으나, 큰 반향을 불러오진 못했다.

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▲ 이제는 전설로 회자될 부두 5 5500 그래픽카드. 3dfx는 이를 마지막으로 파산하게 된다.

 

부두의 성공으로 승승장구하던 3dfx도 2000년 대 들어 그 기세는 꺾이기 시작했다. 자체 개발한 API 글라이드 때문이었다. 시장은 DirectX와 OpenGL 등으로 흘러가고 있었지만 자체 기술을 고집해 왔다. 성능이 뛰어나거나 효율이 좋으면 모르겠지만, 이미 수많은 게임 개발사들은 글라이드를 외면하고 DirectX 기반의 게임을 개발하고 있었다.

 

부두 3 이후 폐쇄적인 정책도 원인이었다. 출시 이후 부두는 타 제조사에 의한 생산을 봉쇄했다. 그러니까 부두 그래픽카드는 무조건 3dfx를 통해 출시되어야 했다. 자연스레 가격은 올랐고, 여러 제조사들이 내놓는 창의적인 제품도 찾아볼 수 없었다.

 

동시에 엔비디아의 지포스 256은 부두의 존재감을 지우기에 충분한 성능과 경쟁력을 보여줬다. 그래도 3dfx는 부두 4 4500과 부두 5 5500을 선보였지만 실패를 맛봐야 했다. 이윽고 3dfx는 재정난을 겪으며 파산했고 2002년 엔비디아에 인수되는 결과를 맞았다.

 

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▲ 본격적인 경쟁의 시작은 지포스 2 시리즈 출시 이후가 아닐까 싶다. (이미지 출처 - 위키백과)

 

리바 시리즈를 통해 조금씩 수면 위로 떠오르던 엔비디아는 지포스 256을 통해 업계 선두주자로 자리하게 된다. 지포스라는 이름이 본격적으로 쓰이던 시절도 이 때부터다. 지포스 256은 DirectX 7.0을 지원했으며, 다양한 3D 가속 기술과 명령어를 제공했다. 비슷한 시기, ATI는 라데온 7000 시리즈를 선보였다. 솔직히 이 때만 하더라도 ATI는 3D 그래픽카드 시장에서 큰 빛을 보지 못했다.

 

엔비디아와 ATI가 경쟁하기 시작한 것은 지포스 2와 3, 라데온 8000 시리즈 이후다. 지포스 시리즈는 탄탄한 성능과 함께 다양한 라인업으로 시장 주도권을 쥐고 있었다. Pro/Ti/GTS 등으로 중고급 라인업을 MX 시리즈로 보급형 시장을 공략했다. 선택의 폭이 넓고 기본기 자체가 탄탄하니 게이머들이 선호하는 그래픽카드로 자리잡기에 오랜 시간이 필요하지 않았다.

 

라데온은 엔비디아와 마찬가지로 다양한 라인업을 전개하기 시작했다. 라데온 7000 시리즈는 상위 라인업으로 7500, 중급인 7200, 보급형 7000 시리즈를 배치했다. 이어 출시한 라데온 8000 시리즈는 엔비디아 그래픽카드들과 어깨를 나란히 할 수준으로 탈바꿈해 주목을 받았다.

 

라데온 8500 시리즈는 성능에서 지포스 3를 어느 정도 따라잡는데 성공했다. 가격 또한 충분한 경쟁이 가능한 수준이라는 점도 고무적이었다. 이에 자신감을 얻은 ATI는 발 빠르게 DirectX 9.0을 첫 지원하는 라데온 9700으로 지포스 진영을 압박하기 시작했다.

 

 
▲ 엔비디아의 좋은 라이벌이었던 ATI는 2006년에 AMD에 인수된다.

 

앞서거니 뒤서거니 했던 두 라이벌의 경쟁은 계속 이어지면서 울고 웃는 일도 종종 있었다. 지포스 4 시리즈까지 성공가도를 달리던 엔비디아는 FX 5000 시리즈에 와서는 큰 변화를 주지 못한 채 실패를 경험해야 했다. 이후 선보인 지포스 6000 시리즈에서는 전작의 실패를 만회하는데 성공한다.

 

ATI도 마찬가지였다. X1000 시리즈까지는 시장에서 좋은 반응을 얻으며 엔비디아의 좋은 경쟁자로 활약했지만, 이후 선보인 라데온 HD 2900은 큰 성공을 거두지 못했다.

 

이렇게 경쟁하던 사이, ATI는 AMD에 인수되는 일이 벌어진다. 이 때가 2006년이다. 당시 AMD는 인텔을 넘어서기 위해 CPU와 그래픽 카드를 합치려는 ‘퓨전(Fusion)’ 프로젝트를 구상하던 때였다. 인수는 했지만 ATI의 이름은 일부 유지됐다.

 

과거 그래픽 어댑터나 그래픽 가속기 정도로 불리던 VGA도 이 때에 들어 그래픽 처리 유닛(GPU - Graphic Processing Unit)이라는 이름으로 부르기 시작했다. CPU처럼 그래픽카드도 그래픽 효과의 자체 처리가 가능하다라는 의미를 부여하기 시작한 것이다.

 

2010년 대~현재의 그래픽카드 - 품질과 성능의 조화
2000년대 중반까지만 하더라도 품질보다는 성능 향상에 초점을 두고 그래픽카드가 출시되었다. 그러나 2008년 이후, 그래픽카드 업계는 품질과 성능을 양립하려는 움직임을 보이기 시작했다. 다양한 안티-앨리어싱 기법이 개발됐으며, 품질 향상과 효율성을 확보하기 위한 압축 기술도 고안되던 시기다. 성능 향상을 위한 방법도 다양하게 시도됐다. 물론 최고를 향한 두 라이벌의 경쟁 역시 더 뜨겁게 펼쳐지던 시기다.

 

엔비디아는 여유가 넘쳤다. 지포스 8000, 9000 시리즈의 대성공은 지포스 200 시리즈로 이어지고 있었다. 반면, HD 2900의 실패를 경험한 AMD는 중보급형 시장 경쟁력을 회복하며 칼을 갈기 시작했다. 이후 HD 3000 시리즈는 실패를 어느 정도 만회하기에 충분한 모습을 보였다. 그럼에도 불구하고 승기는 엔비디아에 다소 기울어져 있는 상태였다.

AMD가 보여 준 회심의 카드는 HD 4000 시리즈에서 빛을 발했다. 이 때만 해도 지포스 200 시리즈와 어깨를 나란히 할 수준까지 도달할 수 있었다.

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▲ GTX 200 시리즈로 승승장구하던 엔비디아는 GTX 480을 선보였지만 좋은 반응을 얻지 못했다.

 

하지만 반전은 이후에 벌어지게 된다. 엔비디아가 지포스 400 시리즈를 선보이고 AMD가 라데온 HD 5000 시리즈로 대응하기 시작하면서다. 당시 페르미(Fermi) 아키텍처를 적용하면서 성능을 높였다는 엔비디아는 칩의 엄청난 발열과 전력소모(GTX 480)에 대한 문제로 골머리를 썩어야 했다. 시장 반응이 좋지 않았음은 물론, 엄청난 발열을 품은 쿨러는 ‘불판’이라는 조롱까지 받기도 했다. 이후 선보인 GTX 460에서 만회하긴 했으나 자존심에 상처를 입었다.

 

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▲ 라데온 그래픽카드 명기 중 하나로 손꼽히는 HD 5800 시리즈.

 

반면, AMD는 HD 5800 시리즈로 분위기를 압도하는데 성공했다. 당시 페르미는 DirectX 10을 지원했지만 HD 5800 시리즈는 처음으로 DirectX 11을 지원했다. GTX 480이 성능으로는 라데온을 앞섰을지 몰라도 새로운 명령어가 제시한 새로운 게이밍 경험을 기대한 PC 게이머들의 마음을 움직이는데 성공했다.

 

엔비디아는 GTX 500 시리즈로 빠르게 전환하며 분위기를 반전시키는데 어느 정도 성공한다. 이에 AMD도 라데온 HD 6000 시리즈로 대응에 나섰다.

 

이 때부터 본격적인 품질에 대한 기술 개발이 시작됐다. 엔비디아는 FXAA(Fast Approximate Anti-Aliasing), AMD는 MLAA(Morphological Anti-Aliasing)을 각각 제안했다. 모두 안티-앨리어싱 기법으로 효율은 높이면서도 화면을 부드럽게 구현하는 기술이다.

 

지포스 GTX 600, 라데온 R200 시리즈가 출시된 2012~2013년 이후에는 본격적인 그래픽 프로세서의 병렬 컴퓨팅에 대한 활용 범위가 넓어지는 시기다. 이전에도 엔비디아는 쿠다(CUDA), AMD는 스트림 프로세서(SP) 등으로 배정밀도 연산 성능을 강조해 왔다. 하지만 초기에는 소프트웨어의 수도 제한적이고 이를 활용하는 영역이 전문가 시장으로 제한적이었다.

 

이후, 일반 소비자 시장에서도 이를 경험할 수 있는 소프트웨어가 다수 등장했고, 비트코인이나 병렬 컴퓨팅에 대한 관심도가 늘면서 고성능 그래픽카드 경쟁도 치열하게 벌어지기도 했다. 특히 지포스 타이탄이나 라데온 R9 295X 같은 것들이 잠시나마 화제가 된 바 있다.

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▲ 엔비디아와 AMD의 경쟁은 현재진행형이다.

 

치열하게 경쟁하던 그래픽카드 제조사들은 이제 크게 엔비디아와 AMD로 좁혀졌다. 물론 매트록스나 S3(비아) 등은 명맥을 이어가고 있지만 시장에 큰 반향을 주지 못하고 있다.

 

두 그래픽 프로세서 제조사는 아직도 경쟁 중이다. 최근 엔비디아는 새로운 아키텍처와 미세공정을 도입한 지포스 GTX 1000 시리즈(파스칼)를 선보였다. AMD도 시장에 대응하기 위한 라데온 RX 480 시리즈(폴라리스)를 공개했다. 두 거목이 경쟁하는 동안, 우리는 더 뛰어난 성능의 그래픽카드를 가지고 다양한 콘텐츠를 소비하고 생산할 수 있을 것이다.

 

글/테크니컬라이터 강형석

 기획/다나와 홍석표 (hongdev@danawa.com)

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