게임에서 처음 실행 시 셰이더(Shader) 컴파일이 필요한 이유와 사전 컴파일 배포의 한계

게임에서 처음 실행 시 셰이더(Shader) 컴파일이 필요한 이유와 사전 컴파일 배포의 한계

---

1. 셰이더(Shader)란 무엇인가?

셰이더(Shader)는 GPU(Graphics Processing Unit)에서 실행되는 작은 프로그램으로, 그래픽 렌더링 파이프라인에서 픽셀, 버텍스, 조명, 쉐도우, 후처리 효과 등 다양한 그래픽 연산을 담당한다.

셰이더는 GPU가 화면에 출력할 픽셀과 오브젝트의 외형을 결정하는 핵심 요소이며, 현대 게임에서는 다음과 같은 여러 유형의 셰이더가 사용된다.

셰이더의 주요 종류

1. 버텍스 셰이더(Vertex Shader): 3D 모델의 각 정점(Vertex)의 위치 변환 및 조명을 계산하는 역할.
2. 픽셀(프래그먼트) 셰이더(Pixel/Fragment Shader): 개별 픽셀의 색상, 텍스처 매핑, 조명 효과를 계산하는 역할.
3. 지오메트리 셰이더(Geometry Shader): 삼각형, 점, 선 등 기하학적 형태를 생성 및 변경하는 역할.
4. 테셀레이션 셰이더(Tessellation Shader): 낮은 폴리곤(Polygon) 모델을 더욱 정교한 고해상도 모델로 변환하는 역할.
5. 컴퓨트 셰이더(Compute Shader): 일반적인 렌더링 외에도 물리 연산, AI 처리, 데이터 병렬 연산 등을 담당.

---

2. 게임을 처음 실행할 때 셰이더 컴파일이 필요한 이유

게임을 처음 실행할 때 셰이더 컴파일(Shader Compilation)이 이루어지는 이유는 크게 GPU 하드웨어의 다양성, 드라이버 차이, 그래픽 API의 특성, 최적화 필요성 때문이며, 이를 자세히 살펴보자.

(1) GPU 하드웨어 및 드라이버의 다양성

• 셰이더 프로그램은 일반적인 C++ 코드와 달리, CPU가 아닌 GPU에서 실행되기 때문에 특정 GPU 아키텍처에 맞게 변환되어야 한다.
• AMD, NVIDIA, Intel 등 각 제조사의 GPU마다 내부 아키텍처(Execution Units, SIMD, Cache 구조)가 다르며, 셰이더를 실행하는 방식이 다름.
• 같은 제조사의 GPU라도 세대별 아키텍처(예: NVIDIA Turing vs Ada Lovelace, AMD RDNA2 vs RDNA3) 차이로 인해 셰이더 코드가 최적화될 필요가 있음.
• 제조사별 드라이버가 다르며, 드라이버에 따라 최적화된 코드가 다르게 컴파일될 수 있음.

➡ 결과적으로, 미리 컴파일된 셰이더를 배포하면 특정 GPU에서는 제대로 실행되지 않거나 성능이 저하될 가능성이 크다.

---

(2) 그래픽 API와 실시간 최적화

게임은 DirectX, Vulkan, OpenGL, Metal 등의 그래픽 API를 사용하여 GPU와 통신한다.
각 API는 GPU별로 다양한 최적화 기법과 네이티브 코드 변환 과정을 필요로 한다.

1. DirectX (예: DX12)
   • Windows 기반 게임에서 주로 사용되며, DXBC(DirectX Bytecode) 또는 DXIL(DirectX Intermediate Language)로 변환된 후, 최종적으로 GPU별 코드로 컴파일됨.
   • DX11에서는 드라이버가 실시간으로 컴파일하지만, DX12에서는 개발자가 제어해야 할 부분이 많아 사전 컴파일을 적극 활용하는 편.
2. Vulkan
   • 로우 레벨 API로, 셰이더 코드를 SPIR-V(중간 언어)로 변환한 후, GPU 드라이버가 다시 최적화하여 실행.
   • 게임 실행 전 SPIR-V에서 GPU 네이티브 코드로 변환하는 과정이 필요.
3. OpenGL
   • 전통적인 방식으로 런타임에 실시간 컴파일되지만, 드라이버에 따라 성능 저하가 발생할 수 있음.

➡ 결론적으로, 그래픽 API마다 다른 방식으로 셰이더를 처리하며, 특정 GPU에서 최적화된 코드가 필요하기 때문에 실시간 컴파일이 이루어진다.

---

(3) 게임의 그래픽 옵션과 설정

• 게임에서 해상도, 안티앨리어싱(AA), 섀도우 품질, 텍스처 필터링, HDR 여부 등을 설정할 수 있는데, 이 설정에 따라 사용해야 할 셰이더 코드가 달라짐.
• 예를 들어, SSAO(Screen Space Ambient Occlusion)나 RTX(레이 트레이싱) 설정을 켜면 해당 기능을 위한 별도의 셰이더 코드가 필요함.
• 모든 유저가 동일한 설정을 사용하지 않으므로, 개발사는 필요한 설정에 맞춰 개별적으로 컴파일하도록 설계한다.

➡ 결과적으로, 사용자의 그래픽 설정에 맞춘 맞춤형 셰이더 컴파일이 필요하다.

---

(4) 셰이더 컴파일 최적화: 사전 컴파일과 캐싱

• 셰이더 컴파일은 많은 연산을 요구하며, 처음 실행할 때 시간이 오래 걸릴 수 있다.
• 이를 해결하기 위해 게임은 셰이더 프리컴파일(Precompiled Shader) 또는 셰이더 캐시(Shader Cache) 기법을 활용한다.

① 사전 컴파일된 셰이더(Precompiled Shader)

• 일부 게임은 셰이더를 미리 컴파일하여 패키지에 포함할 수 있다.
• 하지만, 앞서 언급한 GPU 차이로 인해 완전히 미리 컴파일된 셰이더 배포는 어렵다.
• 일부 엔진(예: Unreal Engine, Unity)은 셰이더의 중간 코드 형태(HLSL, GLSL 등)로 저장 후, 실행 시 최종 변환.

② 셰이더 캐시(Shader Cache)

• 한번 컴파일된 셰이더는 디스크에 캐시(Shader Cache)로 저장하여 이후 실행 시 재사용할 수 있음.
• 예: NVIDIA는 "NVIDIA Shader Cache", AMD는 "Radeon Shader Cache" 기능을 제공하여 게임 실행 속도를 개선.
• 일부 게임(예: Cyberpunk 2077, Horizon Zero Dawn)은 게임 실행 전 사전 컴파일 과정을 거쳐 부드러운 게임 경험을 제공.

➡ 결론적으로, 셰이더 캐시를 활용하면 이후 실행 속도를 개선할 수 있지만, 첫 실행 시 컴파일 과정은 필수적이다.

---

3. 그럼에도 불구하고 사전 컴파일이 완전히 불가능한가?

• 특정 GPU 및 설정에 맞춰 미리 컴파일한 셰이더를 제공하는 것은 가능하지만, 모든 하드웨어를 커버할 수 없으며, 설치 파일 크기가 기하급수적으로 증가한다.
• 예를 들어, RTX 4090과 GTX 1060은 완전히 다른 아키텍처이므로, 동일한 사전 컴파일된 셰이더를 사용할 수 없다.
• 따라서 게임 개발사는 일부 공통적인 중간 코드(Intermediate Representation)만 미리 제공하고, 최종적으로 실행 시 GPU별 최적화된 코드를 생성하는 방식을 택한다.

---

4. 결론

✅ 왜 게임 실행 시 셰이더 컴파일이 필요한가?

1. GPU마다 아키텍처가 다르기 때문 (NVIDIA, AMD, Intel의 내부 동작 방식 차이)
2. 그래픽 API(DX12, Vulkan, OpenGL)에 따라 최적화 방식이 다름
3. 유저의 그래픽 설정(해상도, 레이 트레이싱 등)에 맞춰 셰이더가 달라짐
4. 최적화된 실행을 위해 셰이더 캐시가 필요하며, 첫 실행 시 컴파일이 불가피함

✅ 미리 컴파일해서 배포하면 안 되는 이유?

• 특정 GPU에서는 비효율적이거나 작동하지 않을 가능성이 큼.
• 그래픽 설정과 API 차이에 따라 개별적으로 조정이 필요.
• 사전 컴파일된 셰이더 파일 크기가 너무 커질 가능성이 있음.

➡ 결론적으로, 모든 GPU와 설정에 맞춘 사전 컴파일된 셰이더를 배포하는 것은 비현실적이므로, 첫 실행 시 컴파일 과정이 불가피하다.

 

 

 

그러면, 콘솔 게임기는 하드웨어가 똑같으니, 미리 컴파일 해서 배포가 가능?

 

맞다. 콘솔 게임기는 하드웨어와 API가 고정되어 있기 때문에 셰이더를 미리 컴파일해서 배포할 수 있다.

1. 콘솔과 PC의 가장 큰 차이점: 하드웨어와 API의 통일성

• 콘솔(PlayStation, Xbox, Nintendo Switch)은 하드웨어 사양이 고정되어 있다.
• 예를 들어, PS5는 AMD RDNA2 기반 GPU, Xbox Series X도 RDNA2 기반 GPU를 사용하며, API도 각각 GNM(GNMX), DirectX 12 등으로 정해져 있다.
• PC와 달리 다양한 GPU, 드라이버, 설정이 존재하지 않기 때문에 개발사가 미리 컴파일된 셰이더를 제공할 수 있다.

---

2. 콘솔에서는 어떻게 셰이더를 미리 컴파일하는가?

콘솔 개발 과정에서의 셰이더 컴파일 방식은 다음과 같다.

✅ (1) 개발자가 셰이더를 미리 컴파일하여 배포

• 콘솔에서는 특정 하드웨어에 맞춘 셰이더 바이트코드 또는 네이티브 코드를 미리 생성하여 배포한다.
• 예를 들어, PlayStation에서는 PSSL(PlayStation Shader Language)로 작성된 코드가 GNM API를 통해 네이티브 코드로 변환된다.
• Xbox의 경우, HLSL(High-Level Shader Language) 코드가 DirectX 12 기반의 Xbox 네이티브 코드로 변환된다.
• 이렇게 사전에 컴파일된 셰이더를 게임에 포함하여 배포하면, 실행 시 별도의 셰이더 컴파일이 필요하지 않다.

✅ (2) 패치 및 최적화 과정에서 추가적인 셰이더 업데이트 가능

• 출시 후에도 게임 업데이트나 최적화를 위해 새로운 셰이더를 배포할 수 있음.
• 새로운 기술이 추가되거나, 성능 최적화가 필요할 때 업데이트를 통해 셰이더를 교체할 수 있다.

✅ (3) 일부 게임은 런타임에서 동적으로 셰이더를 조합할 수도 있음

• 특정 게임(특히 오픈월드 게임)에서는 다양한 조명 조건, 환경 변화, 캐릭터 스킨 등에 따라 동적으로 셰이더를 조합해야 하는 경우가 있다.
• 하지만 콘솔에서는 이런 경우에도 미리 가능한 모든 조합을 컴파일하여 포함하는 경우가 많음.

---

3. PC에서는 왜 이런 방식이 어려운가?

PC 게임에서는 아래와 같은 문제 때문에 미리 컴파일된 셰이더를 배포하기 어렵다.

❌ (1) 다양한 GPU와 드라이버 차이

• PC는 NVIDIA, AMD, Intel의 GPU를 사용하며, 각각 다른 아키텍처를 가짐.
• 동일한 게임이라도 GTX 1060, RTX 4090, RX 7900 XTX에서 최적화된 셰이더가 다를 수 있음.
• 또한, 각 제조사의 드라이버 업데이트에 따라 셰이더의 최적화 방식이 달라질 수 있음.

❌ (2) 그래픽 설정에 따라 필요한 셰이더가 다름

• 콘솔은 정해진 하드웨어와 고정된 그래픽 옵션을 사용하지만, PC는 유저가 해상도, 그림자 품질, 안티앨리어싱, 레이 트레이싱 등을 조정할 수 있음.
• 따라서 모든 설정 조합에 대해 미리 셰이더를 컴파일해서 배포하는 것은 비효율적.

❌ (3) DirectX와 Vulkan의 차이점

• 콘솔 게임은 **특정 API(GNM, DirectX 12 for Xbox)**에 최적화되어 있지만, PC는 DirectX 11, DirectX 12, Vulkan, OpenGL 등 다양한 API를 사용할 수 있음.
• 이로 인해 각 API에 맞는 최적화된 셰이더가 다르게 컴파일되어야 함.

---

4. 콘솔에서 사전 컴파일된 셰이더의 장점

• ✅ 첫 실행 시 셰이더 컴파일이 필요하지 않아 로딩이 빠름
• ✅ 플레이 도중 셰이더가 실시간으로 컴파일될 필요가 없으므로 프레임 드랍이 적음
• ✅ 동일한 하드웨어에 맞춰 최적화된 코드가 배포되므로 성능이 안정적임

➡ 결론적으로, 콘솔 게임에서는 GPU와 API가 고정되어 있기 때문에 미리 컴파일된 셰이더를 배포할 수 있으며, 이는 게임 실행 속도와 안정성에 큰 이점을 제공한다.