최적화된 멀티 스레드 프로그래밍 연구 : Unity DOTS에 대한 정보와 활용

2-1 DOTS란?

현재 유니티는 복잡한 프로그래밍으로 고생할 필요 없이 게임에 최신 멀티코어 프로세서를 완전히 활용할 수 있도록 유니티의 핵심 기반을 고성능 멀티스레드 데이터 지향 기술 스택(DOTS)으로 재구축하였다. DOTS는 ‘Data-Oriented Technology Stack’의 약자이며 기본적으로 ECS라는 데이터(Component) 관리 방식과 Job System이란 함수지향적 디자인을 택한 연산방식을 통하여 개발자로 하여금 가이드라인만 맞추어 코딩하면 코드를 여러 프로젝트에서 더 쉽게 읽고 재사용할 수 있게 하였다. 여기에 어떠한 코드 추가 작업 없이 더 빠른 성능을 가져다주는 새로운 컴파일러인 Burst Compiler를 추가하여 CPU부하가 심한 작업의 경우 약 20배 가까운 퍼포먼스 향상을 가져와 주도록 하였다.

2-2 멀티스레드(Multi-Trhead)

본멀티 스레딩은 CPU 내 여러 코어에서 한 번에 여러 개의 스레드를 처리하는 CPU성능을 활용하는 프로그래밍의 한 유형으로 한 번에 하나가 아니라, 동시에 여러 개의 작업 또는 명령을 실행한다[4]. 멀티스레드 시스템을 활용 시 다양한 하드웨어에서 실행 가능한 게임 제작이 가능하고 더 많은 요소와 더 복잡한 시뮬레이션이 있는 풍부한 게임 월드 구축, 모바일 기기의 과열과 배터리 수명이 단축되지 않도록 최적화 또한 가능하다[5]. 유니티 DOTS에서 제시하는 Guideline에 따라 멀티 스레드 코드를 작성하면 코드를 더욱 간편하게 재사용하고 다른 작업자가 코드를 더욱 간편하게 이해하고 협업할 수 있게 된다.

2-3 Data-Oriented

DOTS의 Data-Oriented는 데이터 지향이란 뜻이다. 컴퓨터 프로그래밍론을 떠올리고자 하면 절차지향과 객체지향만 생각하면 끝났던 이전날과 다르게 오늘날에는 함수지향(Functional Programming)개념의 부활에 뒤따라 함수반응형프로그래밍(Functional Reactive Programming)가 생겼고 이외에도 MVC(Model View Controller)패턴과 이에 따라 MVVM(Model–View–ViewModel), MVP(Model View Presenter)와 같은 개념도 추가되었으며 또 하나가 추가된 것이 바로 Data-Oriented Design(데이터지향 설계)이다. 본 연구에서는 유니티 엔진에서의 변천과정에 포함된 객체 지향 디자인과 데이터 지향 디자인에 대하여 다루어 보겠다.

객체 지향 디자인(이하 객체지향)은 객체 중심(Object, 단순 데이터가 아니라 그 데이터의 조작방법에 대한 정보도 포함된 것), 객체를 대상으로 다루는 수법이다[6]. 그리고 데이터 지향 디자인(이하 데이터지향)은 데이터 중심, 데이터 우선으로 데이터를 구조화 시키는 수법이다[7]. 기존에 유니티 엔진의 큰 핵심 기반이었던 객체 지향에서 데이터 지향으로 전환하면서 어떠한 효과적인 결과를 낳았는지 비교분석 해보았다.

먼저 객체지향의 경우 일반적으로 모든 연산해야 할 데이터가 객체 속에 존재하고 각 객체는 RAM의 Heap영역에서 자리가 비워지면 들어가 저장한다. 그 결과는 다음 그림 2와 같다.

Fig. 2.

Memory area for object-orientation

각 객체가 포함하고 있는 데이터는 연속적으로 저장되어 있기 때문에, 한 번에 두 칸씩 Caching을 한다고 할 경우 연산에 필요한 데이터 1부터 5까지의 정보를 꺼내오기까지 총 5번의 Cache Miss가 발생하게 된다.

반면 데이터지향의 경우 객체지향에서 각 객체에 들어갈 데이터들을 종류별로 한데 모아 하나의 Array에 저장한다. 이러한 경우 다음 그림 3과 같이 연산해야 할 데이터는 RAM 안에서 모두 연속된 공간에 존재하게 된다.

Fig. 3.

Memory area for data-orientation

단순히 저장방법만 바꿨을 뿐인데 객체지향에서는 5번의 캐싱으로 5개의 데이터를 불러올 동안 데이터지향에서는 4번의 캐싱으로 총 7개의 데이터를 불러올 수 있게 된다.

이렇듯 데이터지향이 Cache Miss를 줄여 더 빠른 연산속도를 끌어낸다는 것을 이론적으론 쉽게 알 수 있지만 구체적으로 이것이 얼마나 큰 효과를 발휘하는지에 대해서는 이후 내용 중 사례적용 부분에서 실제 project에 적용한 모습과 함께 FrameWork 분석을 통해 보여주겠다.

2-4 Entity Component System(ECS)

ECS는 유니티의 컴포넌트 시스템을 데이터 지향적인 접근 방식을 이용하여 새롭게 만든 시스템으로 놀라운 성능향상과 병렬성을 보여준다. ECS는 해결하려는 문제, 즉 게임을 구성하는 데이터와 동작에 중점을 두는 코드 작성 방식이며 ECS를 사용하면 디자인상으로 게임 프로그래밍에 대한 우수한 접근 방식일 뿐만 아니라 DOTS의 나머지 두 기능(C# Job System과 Burst Compiler)을 활용하여 오늘날의 멀티코어 프로세서를 최대한 활용할 수 있는 이상적인 포지션을 차지할 수 있고 객체 지향에서 데이터 지향으로 전환하여 코드를 더욱 간편하게 재사용할 수 있다.

2-5 C# Job System

C# Job System은 C++ Job System을 C#, 사용자 스크립트까지 확장시켜 유니티 내부 컴포넌트와 함께 잡 시스템을 지원하도록 하였으며 오늘날 컴퓨터의 멀티코어를 활용한다. 사용자가 안전하고, 빠르고, 정교한 코드를 작성하면서 경쟁상태와 같은 멀테스레딩의 취약점을 방지하고 멀티스레드 코드를 효율적으로 실행한다[4].

2-6 Burst Compiler

Burst Compiler는 HPC#(High Performance)과 더불어 유니티가 지향한 low-level 기반 기술로 새로운 백 엔드 컴파일러 기술을 통해 C# 잡을 수행하고 고도로 최적화된 machine code를 생성한다. 번거로운 수고 없이 여러 개의 플랫폼에 걸쳐 수작업으로 조정한 어셈블러 코드의 다양한 이점을 얻을 수 있으며, 이는 누구나 이 스택으로 게임엔진을 만들 수 있게 하기 위함이다[8].

3-1 DOTS 환경구축

유니티 DOTS는 현재 Unity Editor 2019 버전 1.0부터 preview package로 제공된다. Unity Editor에서 Window탭 – Package Manager 실행 후 Burst, Entities, Hybrid Renderer 이 세가지 패키지를 설치하면 DOTS를 활용할 수 있는 환경이 구축된다.

Fig. 4.

‘Unity DOTS’ Package download procedure

3-2 큐브 50만개 생성 예제와 FrameWork 비교분석

본 연구자는 유니티 DOTS를 활용하여 큐브 오브젝트를 Entity화하여 50만개의 큐브를 생성하고 모든 큐브가 제자리에서 회전하는 프로젝트를 만들었다. 엔티티 시스템의 Convert to Entity 스크립트와 가이드를 활용해 큐브 오브젝트를 Entity로 컨버팅하였고 Job System 또한 가이드라인에 맞춰 코딩하여 생성뿐만 아니라 회전까지 하도록 하고 Burst Compiler를 활용하여 성공적으로 예제를 완성하였다. 그림 5와 6은 해당 프로젝트의 FrameWork 분석 및 비교 자료이다.

Fig. 5.

“Example of creating 500,000 cubes” FrameWork Before DOTS Utilization

Fig. 6.

“Example of creating 500,000 cubes” FrameWork after DOTS Utilization

DOTS 활용 전에는 프레임이 15fps 아래로 떨어진 채 유지되는 것을 그림 5을 통해 확인할 수 있다.

DOTS 활용 시에는 프레임이 200fps 이상으로 유지되는 것을 그림 6을 통해 확인할 수 있다.

표 1은 해당 예제의 Built-In(DOTS적용 전)과 DOTS적용 후의 FrameWork 비교분석 그래프이다.

Fig. 7.

“Example of creating 500,000 cubes” FrameWork Comparative Analysis

3-3 실제 게임 콘텐츠에 적용과 FrameWork 비교분석

큐브 50만개 프로젝트에 이어 실제 게임 콘텐츠에도 DOTS를 적용해 보았다. 유니티에서 제공되는 우주 컨셉의 3인칭 슈팅 게임으로 플레이어는 'Spread Shot'이라는 스킬로 이 스킬이 활성화되면 0.1초당 한번에 400발의 총알을 발사할 수 있게 된다. 이 총알 오브젝트를 한번에 생성할 시 Frame Drop과 함께 화면이 일시정지되는 현상을 피할 수 없다. 하지만 총알 오브젝트를 Entity화하고 잡 시스템을 활용하여 총알의 position이동, rotation값을 부여하는 Job을 생성했고 위 예제와 마찬가지로 Burst Compile도 성공적으로 마쳤다. 그림 5와 6는 해당 프로젝트의 FrameWork 분석 및 비교 자료이다.

Fig. 8.

“Real Game Content” DOTS Application ‘Before’ and ‘After’ FrameWork

Fig. 9.

Comparative analysis of ‘before’ and ‘after’ FrameWork applied to real game content

DOTS 적용 전에는 총알 오브젝트의 클론들이 생성되는 것을 Hierarchy창에서 확인할 수 있으며 아래 Profiler 그래프를 통해 프레임이 15fps 아래로 떨어지며 화면이 끊기는 현상이 있다. 반면에 DOTS를 적용한 후에는 총알 오브젝트들이 정상적으로 Entity화 하였고 프레임 또한 60~100fps로 유지되며 Spread Shot 스킬이 화면끊김 없이 성공적으로 실행되는 것을 확인할 수 있다.