매개변수로서 SV_DispatchThreadID 를 받고 있는데, 쓰레드 하나가 실행될때마다 고유한 아이디가 발급되고, 저 매개변수를 통해 우리는 쓰레드별 고유한 인덱스를 받아올 수 있는 것이다.
만약 내가 64개의 스레드를 실행하라고 명령하면, id 에 0~63까지의 값이 전달된다는 것
스레드별 고유한 아이디를 이용해 각 큐브의 위치를 미리 계산할수 있다.
나는 여기서 이동행렬, 회전행렬을 미리 다 계산해서 렌더 셰이더에 넘겨줄 것이므로 행렬을 생성해서 RWStructuredBuffer 에 셋팅하고 있는 걸 확인할 수 있다.
여기까지 Compute Shader 의 코드설명이 끝났다.
요약하자면, 쓰레드가 처리할 일을 커널 함수에 구현하되, 이를 위해 외부로부터 변수를 전달받아야 하기 때문에 몇가지의 변수와 버퍼를 설정했다는 것
남은건 이제 이 컴퓨트 셰이더에 변수를 전달하고, 실행하라는 명령을 내리는 것뿐
이를 위해 InstancedProcedural.cs 파일을 몇군데 수정하자.
public class InstancedProcedural : MonoBehaviour
{
[SerializeField] private ComputeShader computeShader;
[SerializeField] private Material material;
[SerializeField] private Mesh mesh;
[SerializeField] private int count;
private ComputeBuffer positionBuffer;
private static readonly int PositionID = Shader.PropertyToID("_Positions");
private static readonly int ResolutionID = Shader.PropertyToID("_Resolution");
private static readonly int TimeID = Shader.PropertyToID("_Time");
private void Update()
{
positionBuffer?.Release();
positionBuffer = new ComputeBuffer(count * count, 4 * 16);
computeShader.SetInt(ResolutionID, count);
computeShader.SetFloat(TimeID, Time.time);
computeShader.SetBuffer(0, PositionID, positionBuffer);
int groups = Mathf.CeilToInt(count / 8f);
computeShader.Dispatch(0, groups, groups, 1);
material.SetBuffer(PositionID, positionBuffer);
Graphics.DrawMeshInstancedProcedural(
mesh, 0, material, new Bounds(Vector3.zero, Vector3.one), count * count
);
}
private void OnDisable()
{
positionBuffer?.Release();
positionBuffer = null;
}
}
일단 코드량이 더 줄었다. 왜냐하면 위치계산을 하던 부분이 컴퓨트 셰이더로 빠졌기 때문
변경된 부분만 살펴보자면,
[SerializeField] private ComputeShader computeShader;
//시리얼라이즈를 통해 위에서 만든 Compute Shader 를 연결해주고
positionBuffer = new ComputeBuffer(count * count, 4 * 16);
//기존에는 x,y,z 의 float 값 3개를 전달하기 위해 4 * 3 = 12 를 썼다면,
//지금은 4x4 행렬을 전달하기 위해 4 * 16 크기로 바꾸었다.
computeShader.SetInt(ResolutionID, count);
computeShader.SetFloat(TimeID, Time.time);
computeShader.SetBuffer(0, PositionID, positionBuffer);
//컴퓨트 셰이더에서 위치와 회전 계산을 위해 변수를 전달하고 있으며,
//계산한 결과를 받기 위해 ComputeBuffer 도 전달한다.
int groups = Mathf.CeilToInt(count / 8f);
computeShader.Dispatch(0, groups, groups, 1);
중요한 부분이다
컴퓨트 셰이더를 실행시키는 함수는 Dispatch인데
첫번째 인자에는 커널의 인덱스를 넣는다
미리 언질하지 않았지만, 하나의 컴퓨트 셰이더는 여러개의 커널을 가질 수 있다.
우리는 현재 커널을 하나만 선언했으므로 0을 넣는다.
이하 매개변수에는 그룹의 갯수를 설정해야 하는데,
아까 위에서 커널을 실행하는 단위는 그룹이라고 했었다.
이 그룹 또한 3차원으로 설정 가능한데, 저 세 매개변수를 모두 곱한게 총 그룹의 갯수가 된다.
자 현재 우리는 컴퓨트 셰이더에 총 64개의 스레드가 병렬 처리되도록 설정했었다 [numthreads(8,8,1)]
하지만 큐브를 count * count 만큼 그려야 하기 때문에 count * count 만큼의 스레드가 필요하단 얘기인데,
count / 8 을 하게 되면 1차원의 그룹 갯수가 도출되고, 이를 x, y 그룹 갯수에 설정하면, 총 돌려야 할 그룹 갯수를 산출할 수 있다.
예를 들어 설명해보자
만약 count 가 128 이라면, 큐브를 총 128 * 128 그려야 하므로 16,384 개의 스레드가 필요하다.
여기서 하나의 커널이 현재 8 * 8 * 1 = 64개의 스레드를 병렬처리 할 수 있으므로
16,384 / 64 하면 필요한 그룹의 갯수가 256개가 나온다.
여기서 Dispatch 함수에 256, 1, 1 로 전달할 수 있지만, 3차원으로도 그룹을 전달 할 수 있기 때문에
x와 y에다가 균일하게 분배하면 16, 16, 1 이렇게도 전달이 가능하다.
결국 요 16 이라는 숫자는 128 / 8 과 같으므로
int groups = count / 8 과 같다
추가적으로 count가 8의 배수가 아닐 경우도 있으므로 올림처리를 해서 그룹이 부족하지 않도록 넉넉히 잡아준 것
material.SetBuffer(PositionID, positionBuffer);
//이제 CubeShader.shader 에는 float3 형태가 아닌 float4x4 형태의 버퍼가 전달된다.
여기까지가 코드 변경부분이다.
렌더 셰이더 (CubeShader.shader) 에서는 전달받은 행렬을 통해 정점을 변환 시켜주면 되기 때문에 코드량도 확 줄게 된다.
씬 로딩화면을 구현할때 ResourceManager.LoadSceneAsync 같은 비동기 함수를 쓰더라도 로딩 중 화면이 끊기는 현상을 자주 접해봤을 것이다.
하지만 로딩화면이야 뭐 사용자가 조작도 할 수 없고 현상도 도드라져 보이지 않게끔 움직이는 UI를 최대한 안쓴다던지 하는 방법으로 타협이 가능한데, 조작 중 끊기는 건 그냥 넘어갈 수가 없다.
FPS 나 액션 게임같은 경우 렉 한방에 파티가 전멸하거나 내 케릭터가 사망하는 경험을 한번이라도 해보았다면, 그 중요성을 실감할 수 있을 것이다.
그래서 우리는 멀티 스레딩을 대신할 방법을 동원해 이를 해결해야 하는데,
첫번째가 Job System, 두번째는 Compute Shader 이다.
이 둘 중 어느 것을 써야 하는지는 병렬 처리 특성에 따라 다르다.
Job System 은 Main Thread 가 아닌 별도의 Job Thread ( 유니티에서의 명칭은 WorkerThread 이므로 이후 WorkerThread라고 명명 ) 를 이용해 CPU가 할일을 다른 CPU 코어한테 나눠주는 것이고, (최신 CPU는 코어 갯수가 최소 3~8개이다) Compute Shader 는 GPU한테 그 역할을 맡기는 것이다.
Profiler 상에서의 Worker Thread
만약 자신의 프로젝트가 CPU는 바쁜데 GPU는 비교적 널널할 경우 우선 Compute Shader 도입을 고려해야 한다.
GPU는 비용이 작은 스레드를 동시에 처리하는 방식에 특화되어 있기 때문에 스레드 간 데이터 종속성이 없고, 하나의 스레드에 무거운 연산을 하지 않는다면 Job System 보다 효과적인 결과를 얻을 수 있다.
이에 반해 어? 우리는 CPU도 바쁘고 GPU도 바쁜데...이러면 선택의 여지없이 Job System 을 도입해야 한다.
또한 스레드 갯수는 상대적으로 적고 하나의 스레드에서 무거운 연산을 해야 한다면 이 또한 Job System을 도입하는게 유리하다.
개념 설명은 여기까지 하고 우리는 프로그래머니까 코드로 설명하는게 확 와닿을 것이다.
먼저 병목 현상을 인위적으로 만들어 낸 후 이를 Compute Shader 와 Job System 으로 해결하면서 최적화 된 결과를 도출해내는 과정을 설명하겠다.
먼저 단순히 40000 개의 큐브를 월드에 뿌려보자
using UnityEngine;
public class GeneralInstancing : MonoBehaviour
{
[SerializeField] private GameObject instancingTarget;
[SerializeField] private int count = 200;
private void Start()
{
for (int i = 0; i < count; ++i)
{
for (int j = 0; j < count; ++j)
{
GameObject instanced = Instantiate(instancingTarget);
instanced.gameObject.SetActive(true);
float x = -(count * 0.5f) + i;
float z = -(count * 0.5f) + j;
instanced.transform.position = new Vector3(x * 2, 0, z * 2);
}
}
}
}
Scene View, Hierarchy View큐브 생성 후 Collider는 제거해주자
실제 실행하면 다음과 같이 FPS가 확연히 떨어짐을 체감할 수 있다. (수치값은 PC마다 다를 수 있음)
40000만개의 큐브
프로파일러로 확인해보면 RenderLoop.ScheduleDraw() 에서 많은 시간을 할애하고 있는데, 이는 CPU가 GPU에게 40000 번의 드로우콜을 요청하는데 이만큼의 시간이 걸리고 있다는 것을 의미한다. ( = CPU 병목)
녹색의 RenderLoop.ScheduleDraw 가 확연히 길다.
그렇다면, CPU를 거치지 않고 우리가 직접 GPU한테 그리라고 명령을 내리면 이 시간이 걸리지 않을테니, 병렬처리 기법에 대해 알아보기 전에 이 작업을 GPU 에게 넘겨보자.
일단 GPU한테 작업을 넘겨야 그 뒤에 GPU한테 병렬처리를 맡길 수 있으니 일단 해보자
using UnityEngine;
public class InstancedProcedural : MonoBehaviour
{
[SerializeField] private Material material;
[SerializeField] private Mesh mesh;
[SerializeField] private int count;
private ComputeBuffer positionBuffer;
private Vector3[] positions;
private static readonly int Positions = Shader.PropertyToID("_Positions");
private void Start()
{
positions = new Vector3[count * count];
}
private void Update()
{
positionBuffer?.Release();
positionBuffer = new ComputeBuffer(count * count, 12);
for (int i = 0; i < count; ++i)
{
for (int j = 0; j < count; ++j)
{
float x = (-(count * 0.5f) + i) * 2;
float z = (-(count * 0.5f) + j) * 2;
positions[(count * i) + j] = new Vector3(x, 0f, z);
}
}
positionBuffer.SetData(positions);
material.SetBuffer(Positions, positionBuffer);
Graphics.DrawMeshInstancedProcedural(
mesh, 0, material, new Bounds(Vector3.zero, Vector3.one), count * count
);
}
private void OnDisable()
{
positionBuffer?.Release();
positionBuffer = null;
}
}
개념은 4만개의 큐브의 위치를 미리 설정해놓고, Graphics.DrawMeshInstancedProcedural 함수를 통해 GPU한테 직접 그리란 명령을 실행하는 것이다.
해당 함수의 매개변수를 보면 Mesh, SubMeshIndex, Material, Bounds, Count 로서 포지션을 셋팅할 수 있는 부분이 없다.
아니 그럼 어떻게 여기에 각각의 큐브의 포지션을 전달합니까?
이를 위해 ComputeBuffer가 필요하다.
ComputeBuffer 생성시 매개변수로, 생성할 갯수와 버퍼의 사이즈를 셋팅해줘야 하는데
매개변수에 count 와 stride
4만개의 큐브의 포지션 값을 저장할 것이므로 Count는 4만이고, 사이즈는 바이트 값으로서, float 값 3개 (x, y, z) 를 전달하면 되니까
float (= 4byte) * 3개 = 12 byte
즉 12 를 셋팅해 주면 된다.
이 버퍼를 통해 포지션값을 전달해주면, 쉐이더 내부에서 이 포지션 값을 참조해서 정점에다 셋팅해주면 끝
