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게이머를 위한 RDNA3 아키텍처. AMD 테크 딥다이브

2022.11.15. 10:19:07
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AMD는 11월 4일에 열린 AMD together we advance_gaming 이벤트에서 세계 최초의 칩렛 구조 GPU인 RDNA3 아키텍처를 쓴 라데온 RX 7900 XTX/7900 XT 그래픽카드를 발표했습니다.(https://gigglehd.com/gg/13195918 ) 

 

발표 후에는 4개의 세션과 별도의 질의 응답 시간을 통해, RDNA3 아키텍처와 라데온 RX 7900 시리즈의 자세한 정보를 공유했습니다. 여기에선 그 내용을 간추려서 전달 드리겠습니다. 

 

 

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RDNA3 아키텍처

 

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RDNA3는 게이머를 위해 만들어진 아키텍처입니다. 3GHz 이상까지 목표하는 매우 높은 클럭으로 모든 작업에서 높은 성능을 이끌어 냅니다. 또 FP32 유닛을 두배로 늘리고 캐시를 개선하고 레지스터 파일을 늘리는 등, 워크그룹 프로세서도 개선했습니다. 또 레이 트레이싱의 구조와 성능을 개선하고 행렬 조작의 효율 또한 끌어 올렸습니다.

 

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개선된 물리 디자인은 RDNA3 아키텍처의 핵심입니다. 칩렛 구조를 통해 가격 대 성능비를 끌어 올리고, 같은 면적의 실리콘에서 더 높은 성능을 끌어올릴 수 있게 됐습니다. 그 결과 RDNA3는 전작에 비해 20% 더 높은 실리콘 활용을 달성했습니다. 

 

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클럭도 높였습니다. RDNA3는 클럭을 높이는데 중점을 두고 고안됐습니다. 최고 클럭만 무작정 끌어올린 것이 아니라, 전력 대 클럭을 개선했습니다. RDNA2와 비교하면 클럭은 최대 30% 올리면서도 전력 사용량은 최적화했습니다. 그리고 위 이미지에는 없지만 클럭을 세분화해서 6개의 영역이 서로 다른 클럭을 사용합니다. 

 

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컴퓨트와 머신 러닝도 개선했습니다. 이것은 단순히 클럭을 높인 것만으로 해결되는 게 아니고, 각각의 트랜지스터를 최대한 활용해야 가능한 일이었습니다. 모든 작업에서 더 효율적인 쉐이딩 코어를 만들기 위해 AMD는 컴퓨테이션에서 클럭 당 피크 레이트를 2배로 높이고, 머신 러닝에서는 행렬 조작에 전문화해 컴퓨트 사용율을 높였으며, 캐시와 레지스터를 늘려 더 효율적인 연산이 되도록 고안했으며, 인피니티 캐시를 통해 대역폭을 늘렸습니다. 

 

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레이 트레이싱의 개선입니다. 앞으로 더 늘어날 레이 트레이싱 컨텐츠에 맞춰서 RDNA3가 도입한 주요 개선점들입니다. 경로 추적 근사치를 얻어내기 위해선 개선된 계산이 필요하고, 각각의 광선에서 더 많은 값을 추출해 내야 하며, 디노이징과 리저버 샘플링 역시 방대한 연상이 뒷받침되야 합니다. 그래서 연산을 크게 개선했습니다. 또 광선 횡단 처리를 효율적으로 처리하기 위해 횡단 플래그를 전담해서 처리하도록 하여 각 쉐이더 코어의 부담을 줄이고 BVH 포맷과 구조를 개선하여 전체 횡단 처리를 줄였습니다. 

 

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이제 칩렛 아키텍처에 대해 봅시다. 칩의 폼펙터를 줄이기 위해 발전된 제조 공정을 도입하고 있지만, 여기에는 한계가 있으며 또 각 부분별로 다른 공정을 쓰면서 길이 갈리고 있습니다. 로직은 최신 공정을 도입할 수 있으나 메모리는 공정 미세화에 한계가 있고, 아날로그 I/O의 경우 더더욱 최신 공정을 쓰기가 어렵습니다. 한편으로는 제조 공정이 발전할수록 제조 원가가 치솟아 오르고 있습니다. 제조 원가의 수율의 경우 일정 수준까지는 완만하게 늘어나다가 어느 순간부터 급격하게 치솟는 경향이 있습니다. 

 

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AMD는 라이젠 프로세서에서 칩렛 아키텍처를 도입해 이 문제를 해결했습니다. 로직에는 최신 공정을 도입해서 성능을 높이고 크기를 줄였으며, I/O 부분은 별도의 다이로 분리해 단일 다이 구성보다 더 저렴한 가격으로 프로세서를 만들 수 있게 됐습니다. 

 

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문제는 이겁니다. 그 칩렛이 그래픽에서도 작동할까요? 칩렛 구조의 CPU에선 적지만 빠른 신호로 CCD와 IOD를 연결했습니다. 하지만 GPU의 쉐이더 엔진은 매우 많은 수로 구성되어 있기에, 훨씬 더 많은 신호 연결이 필요합니다. 3세대 에픽 기존으로 CCD 1개와 IOD를 연결은 100개의 고속 신호를 사용했으나 나비 21만 하더라도 그보다 훨씬 더 많은 숫자의 신호 연결이 필요합니다. 

 

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그래서 GPU에 맞춘 더 나은 방법으로 칩렛을 나눴습니다. 나비 21에서는 인피니티 캐시와 메모리 캐시가 그래픽 엔진을 매우 얇게 둘러싸는 구조였는데, 나비 31에서는 이를 다수의 MCD 타일로 나눠서 배치했습니다. 그래픽 엔진은 더욱 개선된 N5 공정으로 만들어서 성능을 높였으나, 인피니티 캐시는 성능에 영향을 주지만 N5로 만들진 않았고 GDDR6 인터페이스는 연결에 필요한 면적이 크기에 굳이 제조 공정을 줄일 필요성을 느끼지 못했습니다. 이렇게 IOD와 GCD를 다른 공정으로 만들어서 N5 공정의 성능은 유지하면서 가격 대 성능비를 높였습니다. 다이 갯수가 7개인 건 면적과 파티션을 고ㅕ한 결과입니다. 

 

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칩렛은 어떻게 연결했을까요? GCD와 MCD의 구분은 매우 훌륭한 작업이지만 여전히 엄청나게 높은 대역폭을 필요로 합니다. 에픽 프로세서의 CCD와 비교하면 10배에 달하는 대역폭을 확보해야 하지요. 이를 위해선 개선된 패키징과 새로운 인터페이스가 필요합니다. 바로 고성능 팬아웃과 인피니티 링크입니다. 

 

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인피니티 팬아웃 링크입니다. 다이와 다이 사이에 팬아웃 라우팅(장치와 장치 사이에 직접 연결해 신호를 전달하는 출력선)을 도입해 9.2Gb/s의 대역폭을 달성했습니다. 대역폭 밀도만 따지만 에픽과 라이젠의 10배에 달합니다. 그래서 총 대역폭은 5.3TB/s에 달합니다. 

 

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이게 어떻게 연결됐는지를 확대한 사진입니다. 웨이퍼 위의 25개 유기 연결 와이어와 50개의 고성능 팬아웃을 비교했습니다. 

 

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인피니티 팬아웃 링크는 전력 사용량 또한 적습니다. 기존의 유기 연결 패키지 링크와 비교하면 1비트당 전력 사용량이 80%가 줄었습니다. 그 결과 3.5TB/s의 대역폭을 확보하면서 GPU 사용 전력은 5%가 줄었습니다. 

 

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칩렛 구조는 단일 다이보다 레이턴시가 늘어날 수밖에 없다는 단점이 있지만, 인피니티 링크 칩렛 인터페이스는 레이턴시 증가율이 크지 않은 편이라고 합니다. 기본 인피니티 패브릭 클럭을 43%, GFx 게임 클럭을 18% 높이고 인피니티 캐시의 도움을 받아 레이턴시를 줄였습니다. 

 

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이제 RDNA3 GPU 차례입니다. 바뀐 부분이 너무 많아서 눈에 잘 안 들어오는데 찬찬히 뜯어 봅시다. 

 

개선된 칩렛 디자인: 5nm GCD와 6nm MCD로 나눈 세계 최초의 게이밍 칩렛 GPU

3GHz 이상을 목표하는 아키텍처: FP32에서 61TFLOPS의 성능을 내 2.7배의 향상을 보였고, 1.54배의 전성비를 달성

새로운 ALU 인스트럭션과 트루풋: 2배의 ALU 레이트에 BF16 지원을 추가, 새로운 명령어로 효율적인 활용

최적화되고 균형잡힌 캐시 시스템: 96MB의 2세대 인피니티 캐시, L2는 50% 늘어난 6MB, L1은 300% 늘어난 3MB, L0은 240% 늘어난 3MB

2세대 레이 트레이싱: 레이 트레이싱의 성능과 효율 개선, 더 커진 캐시를 복합적인 레이 트레이싱 연산에 활용, 2.5GHz에서 최고 1.8배의 레이 트레이싱 성능

 

유연한 CP/지오메트리 파이프: 멀티 드로우 인다이렉트 가속기, 클럭 당 12개의 원시 처리로 50% 향상, 2배의 하드웨어 Prim

개선된 픽셀 파이프: 1클럭 당 6개의 원시 라스터라이저를 수행해 50% 개선, 픽셀 처리도 50% 개선되어 클럭 당 192개, 랜덤 오더, 픽셀 웨이트 싱크

고속 GDDR6 메모리: 최고 384비트 20Gbps로 960GB/s의 대역폭, 24GB의 용량

래디언스 디스플레이 엔진: 디스플레이포트 2.1, HDMI 2.1a, 12비트/채널을 지원해 680억 컬러 표시

새로운 듀얼 미디어 엔진: 인코드/디코드를 동시에 처리, 8K 60p AV1 인코드/디코드, AI 디코드 처리

최신 기능 지원: 다이렉트 X 12 얼티밋, 피델리티 FSR, 어드밴테이지 스마트 테크놀러지

 

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컴퓨트 유닛의 조합을 개선했습니다. 이것도 바뀐 점이 많은데 CU 내부의 구성을 조절해서 총 17.4%의 성능 향상을 이루었습니다. 

 

64개의 다(多)정밀도: 다용도 ALU, 2배의 운용이 가능한 새로운 명령어

개선된 행렬 조작: 최대 2.7배의 행렬 처리 속도, Bf16 타입 데이터 지원

CU 수를 80개에서 96개로 증가

새로운 스케줄로 의존도 관리: 고클럭에 맞춰최적화하고 의존하지 않는 부분들은 싹 제거

벡터 GPR은 1.5배 향상

레이 가속기의 효율 최적화

벡터 캐시(L0)은 16KB에서 32KB로 증가

 

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벡터 유닛은 1개의 SIMD64에서 2개의 SIMD32로 나뉘었습니다. 이 2개의 유닛은 기능이나 성능에 차이가 없고 완전히 똑같습니다. 여기에선 1클럭으로 웨이브64 FMA 명령어를 처리할 때와 듀얼 이슈 웨이브 32로 명령어를 처리할 때를 비교했습니다.

 

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벡터 유닛은 행렬 가속기로도 작동합니다. 

 

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하나의 벡터 유닛이 WMMA 행렬 곱셈을 수행합니다. 

 

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최적화와 균형을 추구한 캐시 시스템입니다. L0 용량이 2배, L1 대역폭이 1.5배, L1 용량이 2배, L2 대역폭이 1.5배, L2 용량이 1.5배, L3 대역폭이 2.25배, 메모리 대역폭이 1.5배로 늘었습니다. 

 

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2세대 레이 트레이싱입니다. 다이렉트 X 레이 트레이싱 레이 플래그를 하드웨어적으로 관리합니다. VVH 노드에 지오메트리 태그를 추가하고 인스턴스/레이 플래그를 노드 포인터에 보냅니다. 하드웨어적으로 레이 플래그를 관리하면서 루프 반복 처리에서 명령어 수를 15% 가량 줄였습니다. 다이렉트 X 레이트레이싱 레이 플래그는 삼각형/서브트리 컬링을 개선하는 효과도 보였습니다. RDNA2의 컬링은 9번의 테스트를 거쳤으나 RDNA3에서는 한 번으로 끝냅니다. 

 

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2세대 레이 트레이싱에서 광선을 추출해 내는 방법입니다. 무엇을 우선해서 추출해내는지 총 3가지 방법이 있습니다. 

 

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2단계 스케줄링 알고리즘을 통해 비어있는 레이 쿼드를 버리고 사이클 당 고아선 처리를 최적화합니다. 하드웨어적으로 스택 관리를 최적화하고, 라데온 RX 7900 시리즈에서는 1.5배의 VGPR을 실현했습니다. 이런 다양한 개선을 통해 1레이 트레이싱 작업에서 1.8배의 개선 효과를 이루었습니다. 

 

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CP, 지오메트리, 픽셀 파이프의 개선점입니다. 

 

 

 

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라데온 RX 7900 시리즈

 

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이제 RDNA3 아키텍처를 가장 먼저 쓴 그래픽카드인 라데온 RX 7900 시리즈 차례입니다.

 

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RDNA3 아키텍처는 전력 대 성능비가 54% 늘었고, 같은 면적에 165% 많은 트랜지스터를 넣었으며, 세계에서 가장 빠른 5.3TB/s의 인터커넥트를 달성했습니다. 

 

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게이머와 크리에이터에게 최고의 경험을 선사하기 위한 그래픽카드 디자인입니다. 

 

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라데온 RX 7900 시리즈의 레퍼런스 모델 기판입니다. 출력 포트는 HDMI 2.1, DP 2.1 2개, USB-C가 있고, IT-170과 20페이즈 고효율 전원부, 24GB GDDR6 메모리, 2온스 구리를 4층에 사용한 총 14층의 고성능 기판을 사용했습니다. 

 

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쿨러 구조입니다. 고성능 써멀을 GPU에 바르고 MOSFET 위에는 매우 부드러운 써멀 패드를 부착했으며 GDDR6 써멀 패드는 칩마다 따로 분리했습니다. GPU 위에는 10% 더 커진 베이퍼 채임버를 장착했으며 쿨러 커버와 백플레이트는 모두 알루미늄 다이캐스트 재질로 만들었습니다. 

 

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쿨러 전면입니다. 커버 중앙에 RGB LED가 있고, 부하가 낮을 때는 팬을 멈추는 제로 팬 모드를 지원하며, 쿨링팬의 구경을 키웠습니다. 그리고 세계 최초로 쿨링팬 아래에 흡기 온도 센서를 탑재했습니다. 

 

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이쯤에서 라데온 RX 7900 XT의 실물 사진이 나와 줘야겠지요. 빨간색으로 표시한 부분이 센서입니다. 

 

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보조전원은 8핀 2개만 사용하며 이걸로 355W를 공급합니다. 어디의 누구처럼 중간에 거추장스러운 어댑터를 연결할 필요가 없습니다. 

 

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크기 역시 부담스럽지 않습니다. 옆동네의 누군가는 3.5슬롯을 이야기하지만 라데온 RX 7900 시리즈는 2.5슬롯만 차지하기에 파워나 케이스의 부담이 줄어듭니다. 

 

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그 옆동네 누군가란 바로 지포스 RTX 4080이었습니다. 라데온 RX 7900 XTX는 더 짧고, 더 얇고, 보조 전원 포트 역시 간단합니다. 

 

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라데온 RX 7900 시리즈의 스펙입니다. 라데온 RX 7900 시리즈는 지포스 RTX 4080보다 메모리 대역폭과 용량에서 더 여유로운 모습을 보여줍니다. 

 

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성능입니다. 이것도 발표 당시에 지포스 RTX 4080의 성능이 공개되지 않아 라데온끼리만 비교했는데요. 라데온 RX 6950 XT와 비교하면 4K 해상도에서 최대 67%의 성능 향상을 달성했습니다. 

 

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거기에 레이 트레이싱까지 끼어들면 82%의 성능 향상이 있고, FSR을 켜면 최신 게임에서도 여유롭게 플레이가 가능한 프레임을 뽑아냅니다. 

 

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래디언스 디스플레이 엔진입니다. REC2020 색영역, 12비트 HDR 컬러, 최고 680억 색상을 지원합니다. 

 

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라데온 RX 7900 시리즈는 HDMI 2.1a는 물론이고 2개의 디스플레이포트 2.1 포트와 1개의 USB-C 포틀를 지원합니다. 지포스 RTX 40 시리즈는 아직 디스플레이포트 1.4a에 머물러 있어 8K 해상도를 60Hz로밖에 출력하지 못하며 USB-C도 제공하지 않습니다. 그래서 GPU 성능이 높다고 한들 8K 해상도를 높은 리프레시율로 플레이할 수가 없습니다. 그러나 라데온 RX 7900 시리즈는 8K 해상도에서도 165Hz의 리프레시율을 지원합니다. 

 

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라데온 RX 7900 XTX에 FSR을 조합하면 8K 최고 옵션도 충분히 플레이할 성능이 나옵니다. 

 

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내년에 출시될 삼성 오딧세이 네오 G9는 최초의 8K 울트라와이드 모니터입니다. 이런 모니터를 제대로 쓰려면 디스플레이포트 2.1을 지원하는 라데온 RX 7900 시리즈가 필요합니다. 

 

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하드웨어 외에 소프트웨어적인 부분도 꾸준히 개선이 이루어지고 있습니다. 

 

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게임 플레이 체험을 높여줄 라데온 부스트와 라데온 안티 랙을 이미 제공하고 있습니다. 

 

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프리셋, 자동, 수동의 3가지 방식으로 오버클럭이 가능합니다. 

 

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라데온 RX 7900 시리즈는 12월 13일에 출시됩니다. 가격은 7900 XT가 899달러, 7900 XTX가 999달러입니다. 경쟁 상대로 점찍은 지포스 RTX 4080보다 메모리 스펙은 우수하면서도 가격은 저렴합니다. 

 

 

 

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소프트웨어

 

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이제 하드웨어가 아닌 소프트웨어적인 부분을 봅시다. AMD는 스스로를 가리켜 CPU나 GPU만 만드는 회사가 아니라 솔루션 회사임을 강조합니다. CPU와 GPU는 하드웨어 제품일 뿐이고, 거기에서 실행되는 소프트웨어가 잘 조합을 이루어야 최종 사용자에게 뛰어난 체험을 제공할 수 있습니다. 

 

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뛰어난 하드웨어에는 뛰어난 소프트웨어가 필요합니다. AMD 소프트웨어 아드레날린 에디션은 안정성, 성능, 사용자 경험을 목표로 삼아 발전해 왔습니다. 

 

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AMD는 작년 한 해 NVIDIA보다 더 많은 드라이버를 출시했고, 더 많은 조합에서 테스트를 했으며, 하나의 드라이버로 데스탑부터 모바일까지 모든 그래픽카드를 지원합니다. NVIDIA의 드라이버는 데스크탑 따로, 노트북 따로 놀고 있지요.

 

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RSR, 라데온 부스트, 라데온 안티 랙을 모두 더한 AMD 하이퍼-RX 온을 예고했습니다. 

 

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하이퍼-RX 온의 사용 방법입니다. 버튼을 누르고, 그걸로 끝입니다. 드라이버에서 제공하는 여러 기능을 조합해서 최고의 성능을 내면서도 인풋 랙은 최대한으로 낮춥니다. 출시는 2023년 1분기.

 

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다잉 라이트 2에서 하이퍼-RX 온의 효과입니다. RSR 덕분에 평균 프레임은 85%가 늘었고, 인풋 랙은 30ms에서 11ms로 줄었습니다. 

 

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스트리밍을 위한 개선점들입니다. 노이즈 제거, 스트리밍 품질 개선, AV1 인코드 지원, OBS 최적화, AMD 링크에 AV1의 통합이 이루어졌습니다. 

 

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AMD의 노이즈 제거 기능과 NVIDIA 브로드캐스트의 비교입니다. 성능에 미치는 영향은 미미하고, 프레임 레이트의 변동폭은 적지만 더 높은 품질로 소리를 포착합니다.

 

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새로운 미디어 엔진에서 지원하는 AV1 하드웨어 가속입니다. 자일링스의 머신 러닝 가속을 통해 훈련한 모델을 써서 오버레이 퀄리티를 향상시켰습니다. 

 

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인플루언서-스트리머를 위한 기능입니다. AMF SDK를 통한 AMD 하드웨어 인코더, H.264 코덱에서 B 프레임 지원, 8K 60fps 스트림을 지원하는 AV1 녹화를 제공합니다. 

 

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AV1의 지원으로 클라우드 게임 플레이의 품질과 성능이 향상됐습니다. 라데온 RX 7900 시리즈 GPU는 4웨이 멀티플레이어 게임 스트리밍이 가능합니다. 

 

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AMD는 모든 것을 다루는 플랫폼 회사라는 특징을 살려 더 넓은 범위의 기술을 제공합니다. NVIDIA의 경우 제공하는 기술들이 GPU에 한정되어 작동하지만, AMD는 GPU 외에도 CPU와 협동하여 작동하며 더 효율적이기도 합니다. 

 

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스마트 액세스 메모리의 경우 AMD의 도입 효과가 더욱 좋습니다. 

 

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CPU와 GPU를 함께 써서 트랜스코딩하는 스마트액세스 비디오를 제공합니다. 4K H.264를 4K AV!로 변환할 때 최고 30%의 성능 향상이 있습니다. 

 

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라라랜드 조합의 인증받은 시스템을 판매하는 AMD 어드밴티지 데스크탑도 출시됩니다. 노트북에서는 이런 조합이 먼저 나왔고 이제는 데스크탑으로도 출시됩니다. 레이지 모드를 비롯한 최적화 기능이 최고의 성능을 내도록 구성하고 테스트를 거쳤으며, 이런 최적화 작업은 어느 한 쪽이 떠맡은 게 아니라 AMD와 OEM 제조사의 협업을 통해 이루어졌습니다. 

 

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다양한 데스크탑 제조사에서 AMD 어드밴티지 데스크탑에 참여 의사를 밝혔습니다. 우선은 북미 지역에서 시작하며 나중에 다른 지역/회사에서도 도입될 예정입니다. 노트북에서 AMD 어드밴티지도 처음에는 5, 6개로 시작했지만 지금은 그보다 훨씬 많은 회사들이 쓰고 있다며, 데스크탑 역시 그렇게 보급될 것이라고 자신있는 모습을 내비췄습니다. OEM 제조사들에게 보조금을 줘서 끌어모은 것이 아니라 제품이나 기술에 장점이 있으니 자발적으로 참여한 것이라고도 강조했습니다. AMD 어드밴티지 노트북의 경우 성능과 소음, 배터리 등에서 AMD 플랫폼이 좋은 표현을 보이면서 참여 회사들이 늘어났지요.

 

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AMD가 아닌 다른 소프트웨어 공급사와의 협업에 대해서도 간단하게 짚고 넘어갑시다. AMD는 GPUOpen을 통해서 개발자들이 AMD 그래픽 하드웨어를 더욱 잘 활용할 수 있도록 돕고 있습니다. 

 

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AMD FSR은 218개의 게임에서 지원할 예정입니다. 

 

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AMD FSR과 NVIDIA DLSS는 같은 목적을 갖고 만들어진 비슷한 기술이지만, FSR의 보급 속도가 훨씬 더 빠릅니다. 이는 AMD가 좀 더 친 개발자적인 자세를 취하고 있기에 가능한 것이겠지요.

 

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FSR은 2.2로 업그레이드됐습니다. 템포럴 업스케일링 퀄리티를 개선하고 고스팅 문제를 해결합니다. 

 

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또 3D 마크는 DLSS에 이어 FSR2의 기능 테스트가 추가됩니다. 

 

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2023년에는 fSR3이 나옵니다. AMD 플루이드 모션 프레임을 통해 프레임을 끼워 넣음으로서 더욱 부드러운 게임 그래픽을 볼 수 있게 됩니다. 

 

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MS 다이렉트 스토리지 1.1도 지원합니다. 그래픽 리소스의 압축을 GPU가 직접 해제함으로서 CPU가 압축 해제하는 것보다 3배의 성능 개선 효과를 냅니다. 

 

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게임 엔진 최적화도 꾸준히 이루어지고 있습니다. 언리얼 엔진 5 외에도 유비소프트의 게임 엔진인 스노우 드랍에서 AMD의 레이 트레이싱 최적화가 진행됐습니다.  

 

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