게임 엔진은 화려한 그래픽 뒤에서 작동하는 소프트웨어입니다. 이 소프트웨어는 컴퓨터 하드웨어 위에서 실행되죠. 그래서 엔진을 깊이 파고들려면 하드웨어의 동작 방식을 알아야 합니다.
CPU나 메모리 같은 부품은 단순한 기계 장치가 아닙니다. 프레임 속도와 프로그램 안정성을 결정하는 중요한 기준점이 됩니다. 처음에는 하드웨어 용어가 조금 낯설게 느껴질 수 있습니다.
컴퓨터의 두뇌인 CPU 살펴보기
먼저 CPU(Central Processing Unit)에 대해 이야기해 봅시다. 이 장치는 컴퓨터의 두뇌 역할을 맡고 있습니다. 산술과 논리 연산을 담당하는 ALU와 제어 장치로 이루어져 있죠.
여기에 레지스터라는 아주 빠른 임시 저장 공간도 포함됩니다. CPU는 메모리에서 명령어를 가져오고 해석한 뒤 실행합니다. 이 과정을 끊임없이 반복하며 게임을 구동합니다.
속도를 높이는 똑똑한 기술들
요즘 나오는 CPU는 무작정 클럭 속도만 높이지 않습니다. 대신 파이프라이닝 같은 기술로 여러 명령을 겹쳐서 처리하죠. 분기 예측을 통해 다음 명령을 미리 준비하기도 합니다.
이런 기술은 대기 시간을 줄이는 데 큰 도움을 줍니다. 그래서 한 번에 얼마나 많은 명령을 처리할 수 있는지가 중요합니다. 이를 명령어 수준 병렬성(ILP, Instruction-Level Parallelism)이라고 부릅니다.
메모리 계층이 필요한 이유
CPU가 빨라도 데이터가 늦게 도착하면 소용이 없습니다. 이 문제를 풀기 위해 메모리 계층(memory hierarchy)이 등장했습니다. 가장 가까운 레지스터가 제일 빠르고 그다음이 캐시입니다.
그 뒤로 RAM과 디스크가 이어지는 순서로 배치됩니다. 캐시(cache)는 CPU와 메모리 사이의 속도 차이를 줄여줍니다. 자주 쓰는 데이터를 가까운 곳에 두는 방식입니다.
캐시를 잘 활용해야 성능이 오릅니다
캐시는 지역성(locality)이라는 원리를 바탕으로 동작합니다. 최근에 쓴 데이터는 다시 쓸 확률이 높다고 보는 것이죠. 하지만 필요한 데이터가 캐시에 없으면 문제가 생깁니다.
이것을 캐시 미스(cache miss)라고 부르는데 이때 성능이 뚝 떨어집니다. 그래서 프로그래머는 데이터 배치를 신중하게 고민해야 합니다. 메모리에 어떤 순서로 접근하는지가 정말 중요합니다.
데이터가 이동하는 통로 버스
모든 데이터는 버스(bus)라는 통로를 통해 이동합니다. CPU와 메모리 그리고 GPU가 이 길을 이용해 정보를 주고받죠. 이때 버스의 대역폭은 게임 성능에 직접적인 영향을 줍니다.
큰 데이터를 옮길 때 CPU가 계속 관여하면 비효율적입니다. 그래서 DMA(Direct Memory Access)라는 기술을 사용하죠. CPU 도움 없이 데이터를 옮겨 전체 효율을 높입니다.
하드웨어 특성에 맞는 설계
게임 엔진은 이런 하드웨어 특성을 고려해서 설계됩니다. 계산에 강한 CPU와 병렬 처리에 능한 GPU를 나눠서 활용하죠. 데이터도 캐시에 잘 맞도록 배치해야 합니다.
불필요한 메모리 접근을 줄이는 것도 훌륭한 방법입니다. 하드웨어를 이해하는 것은 성능 최적화의 첫걸음입니다. 이 기초가 튼튼해야 좋은 엔진을 만들 수 있습니다.
