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DirectX 12 엔진 개발유영천Microsoft MVPVisual Studio and Development TechnologiesTwitter: @dgtmanBlog : http://megayuchi.wordpress.com

DirectX?• MS의 Graphics API• 대응되는 비 Windows계열 API로 OpenGL이 있음.• 대부분의 Windows 게임과 100%의 XBOX, Wndows Phone게임이 DirectX를 사용• 게임 수로 보면 DX9 >>>> DX11 >> DX12

DirectX 12?• DirectX 12 == Direct 3D12• Direct 2D, Direct Write를 포함하지 않음.• D3D외의 기능은 D3D11 on D3D12를 사용하면 됨.• 성능 최우선!• CPU 성능이 정체되었다.• GPU 성능은 정체되지 않았지만 가격이..그리고 데스크탑 점유율이 낮아지고 있다.• 현세대 하드웨어만으로 성능 향상을 올릴 수 없을까?

성능 개선을 위한 포인트• CPU ->Draw Call -> GPU 처리의 과정을 줄임.• 완전한 비동기 렌더링• 각종 State들을 한방에 처리 ->• OMSet…RSSet…PSSet…VSSet… -> ID3D12PipenlineState 한 개로.• DirectX runtime과 드라이버에서 해주던 일들을 Application레벨로 빼냄.• 하지만 그 결과는…..-_-;;;;;;;;

결론부터 얘기하겠습니다.

결론부터 얘기하면…DirectX 9/11운전 보조 장치가 붙어있는 스포츠카DirectX 12F1머신. 드라이버 실력이 받쳐주지 못하면 출발도 못함.

DirectX 9/11이 스포츠카라고?• 암묵적인(implicit) 처리가 많기 때문에 DirectX runtime과 드라이버에서 최적화시킬 여지도 많음. 실제로 상당한 최적화가 이루어져있다.• 지난 십 여년간 GPU회사들이 자사의 드라이버를 엄청나게 최적화 시켰음.• Single-Thread로만 렌더링을 해도 GPU점유율 100%에 도달할수 있는 것은 runtime 최적화와 Driver최적화 덕분.• DirectX 12에선 이 보조장치들의 지원을 받지 못함.

DirectX 12가 필요한가?• 이미 120프레임 이상으로 성능이 충분히 나오고 있다면 굳이DX12로 바꿀 필요는 없다.• Multi-Thread 렌더링을 이미 사용하고 있고 빈틈없는 최적화를할 자신이 있다면…시도해 볼만 하다.• GPU병목이 걸려있고 더 이상 최적화 여지가 없어 보인다.• 45프레임 나오는 게임을 어떻게든 60프레임에 맞추고 싶다.

DirectX 9/11 -> DirectX 12• Resource Binding• Command List & Command Queue• State변경 -> ID3D12PipelineState• Shader 코드는 그대로 사용 가능.• D3DX? DirectXTex? -> 그런거 없음. 텍스쳐 파일 로딩함수도 직접 만들어야함.• 여기까지 하면 돌아는 간다.-_-

Resource BindingDX9/11 –> DX12로 포팅작업을 한다면 가장 많은 시간을 들이게 될…(대부분 여기서 포기한다는데 500원 건다)

Resource Binding• Vertex Buffer• Index Buffer• Texture• Constant Buffer• Unorderd Acceess Buffer (for Compute Shader)• Sampler렌더링을 위해 이러한 Resource들을 Graphics Pipeline에 bind한다.

용어정리• Buffer – ID3D12Resource , D3D에서 사용하는 CPU/GPU 메모리 블록.• CBV – Constant Buffer View• Buffer를 ConstantBuffer로서 Shader에서 사용하기 위한 자료구조.• SRV – Shader Resource View• Buffer를 Texture로서 Shader에서 사용하기 위한 자료구조.• UAV – Unordered Access View• Buffer를 Compute Shader에서 read/write하기 위한 자료구조

Descriptor• Resource의 정보를 기술한 메모리 블록• CBV,SRV,UAV를 생성하면 그 결과로 이 Descriptor를 얻는다.• Texture(SRV)인지, Constant Buffer(CBV)인…• 32-64bytes 사이즈.(GPU마다 다름.)• 객체가 아니다. 해제할 필요 없다.• 내부적으로 GPU Memory, CPU Memory pair로 구성됨.• D3D12_GPU_DESCRIPTOR_HANDLE,D3D12_CPU_DESCRIPTOR_HANDLE로 표현되며 사실상 포인터.

Descriptor Heap• Descriptor로 사용할 Memory배열• ID3D12DescriptorHeap로 구현되어 있다.• CPU측 메모리, GPU측 메모리 pair로 구성되어있다.• CBV,SRV는 이 Descriptor Heap의 CPU/GPU 메모리에 생성(write)된다.• Descriptor Heap의 CPU측 메모리에 write, Shader에선 GPU메모리에서 read한다.

Root Signature – ID3D12RootSignature• 어떤(Texture, Contant Buffer, Sampler등) Resource가 어떻게Pipeline에 bind 될지를 정의• Resource binding 설정을 기술한 일종의 템플릿이다.

Descriptor Table• Descriptor의 논리적 배열• Descriptor Heap의 임의의 위치가 Descriptor Table에 맵핑된다.

TR Matrix Bones Matrix Light Cube Shadow Mapmaterial diffuse mask toonpCommandList->SetGraphicsRootDescriptorTable(0, gpuHeap);pCommandList->SetGraphicsRootDescriptorTable(1, gpuHeap);FaceGroup 0material diffuse mask toonpCommandList->SetGraphicsRootDescriptorTable(1, gpuHeap);FaceGroup 1material diffuse mask toonpCommandList->SetGraphicsRootDescriptorTable(1, gpuHeap);FaceGroup 2

CD3DX12_DESCRIPTOR_RANGE rangesPerObj[3];rangesPerObj[0].Init(D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_CBV, 2, 0);// b0 : default , b1 : bonesrangesPerObj[1].Init(D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_CBV, 1, 5);// b5 : Light CuberangesPerObj[2].Init(D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_SRV, 1, 3);// t3 : shadowCD3DX12_DESCRIPTOR_RANGE rangesPerFacegroup[2];rangesPerFacegroup[0].Init(D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_CBV, 1, 2);// b2 : materialrangesPerFacegroup[1].Init(D3D12_DESCRIPTOR_RANGE_TYPE_SRV, 3, 0);// t0 : diffuse , t1 : mask , t2 : toon tableCD3DX12_ROOT_PARAMETER rootParameters[2];rootParameters[0].InitAsDescriptorTable(_countof(rangesPerObj), rangesPerObj, D3D12_SHADER_VISIBILITY_ALL);rootParameters[1].InitAsDescriptorTable(_countof(rangesPerFacegroup), rangesPerFacegroup, D3D12_SHADER_VISIBILITY_ALL);TR Matrix Bones Matrix Light Cube Shadow Map material diffuse maskb0 b1 b5e t3 b2 t0 t1toont20 1 2 3 4 5 6 7Shader RegisterDescriptor TableDescriptor HeapRoot Parameter 0 Root Parameter 1

TR Matrix Bones Matrix Light Cube Shadow Map material diffuse mask toonDescriptor Heapmaterial diffuse mask toon material diffuse mask toon0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15필요 Descriptor개수 : 16개D3D12_GPU_DESCRIPTOR_HANDLE gpuHeap = pDescriptorHeap->GetGPUDescriptorHandleForHeapStart();pCommandList->IASetVertexBuffer(…);pCommandList->SetGraphicsRootDescriptorTable(0, gpuHeap);for (i=0; i<3; i++){pCommandList->SetGraphicsRootDescriptorTable(1, gpuHeap);pCommandList->IASetIndexBuffer(…);pCommandList->DrawIndexedInstanced(…);gpuHeap.Offset(4, DescriptorSize);}Object Face Group 0 Face Group 1 Face Group 2

Command List & Command Queue• 비동기 렌더링을 위한 디자인• Graphics Command를 Command List 에 Recording해서• Command Queue에 전송. ( 이 시점에 GPU Queue로 전송)• 1개의 Command List만으로도 처리는 가능. -> 성능 안나옴• 멀티스레드로 여러 개의 Command List를 동시에 recording하고 각각의 스레드가 독립적으로 Execute하는 것을 권장.

Command List 0Command QueueClear RTVSetRTVSetPSODrawCommand QueueCommand List 1Clear RTVSetRTVSetPSODrawClear RTVSetRTVSetPSODrawClear RTVSetRTVSetPSODrawExecute()Execute()Thread 1Thread 0GPU Hardware queue

Pipeline State – ID3D12PipelineState• Blend State• Depth State• Render Target format• Shaders…이 모든 상태들을 하나로 묶어서 처리.Shader 하나, Blend상태 하나 바꾸려고 해도 ID3D12PipelineState를 통째로 바꿔야함.Shader 폭발에 이은 Pipeline State 폭발!

Pipeline State폭발의 슬픈 예

DX12로 기본적인 렌더링을 하기 위한 지식은 이 정도로…

Debugging• 비동기 렌더링 특성상 API에 잘못된 파라미터를 전달해도 그 즉시 알기 어려움.• DX12 runtime에 아직… 버그가 있는 것으로 보임.• 각 업체별 GPU드라이버에도 아직 버그가 있는 것으로 보임.• 그렇지만 대부분의 경우(99%) 프로그래머의 실수이다.• 오동작하는것 같다면 내가 뭘 잘못했는지 먼저 체크하라.

D3D12 Debug Layer의 사용• 전달된 파라미터의 유효성, Resource Barrier의 상태 등등 프로그래머의 실수를 미리 잡아준다.• 에러가 아닌데 에러라고 판별할 가능성도 없지는 않으나 반드시 무시하지 말고 체크할 것.ID3D12Debug*pDebugController = NULL;// Enable the D3D12 debug layer.if (SUCCEEDED(D3D12GetDebugInterface(IID_PPV_ARGS(&pDebugController)))){pDebugController->EnableDebugLayer();}

exe파일명을 등록시켜 놓으면 해당 app에서 Error나 Warning발생시 브레이크를 걸 수 있다.DirectX Control Panel

Visual Studio Graphics Debugger• 프레임을 캡쳐해서 렌더링 과정을 보여줌.• Pipeline에 바인드된 D3DResouce를 추적할 수 있다.• Descriptor Table에 내용을 볼 수 있는 것이 큰 장점.• 딱 잘라 말하건데 이 툴 없이는 개발 불가능.• ALT+F5로 디버거 작동.

Shadow map 생성 과정을 디버깅 하는 예 ( https://goo.gl/nC5f80 참고 )

힘들게 포팅했는데 D3D11보다 느리네…• 왜 느린가?• 앞서 설명했다. D3D11은 온갖 최적화 기법을 갖추고 있다.• 그에 비해 D3D12는 D3D11의 최적화 기법을 어플리케이션 레벨에서구현해야한다.• 그러지 못하면 느리다…많이..• 최적화의 시간 -> 최적화라 쓰고 다시 만든다고 읽는다.

GPUView• Mircrosoft ADK의 Performance Toolkit에 포함된 로그 분석기1. ADK설치2. Admin권한으로 CMD을 열고• C:Program Files (x86)Windows Kits10Windows PerformanceToolkitgpuview 폴더로 이동• >Log.cmd 로 logging시작• 다시 Log.cmd를 입력해서 logging종료• Merged.etl파일을 GPUView에서 로드

GPUView로 보는 D3D11 vs D3D12

DirectX 11 , 과연 안정적인 스포츠카!!!• Single-Thread Rendering• 신경 쓴 것이라곤 GPU Memory에 최대한 올려놓고 안건드렸을뿐 (avoid Map, Unmap)• 심지어 D3DResource를 렌더링 중에 마구 변경해가며 재활용하고 있다. -> DX11은 Resource Renaming으로 이 문제를 해결한다• 그럼에도 불구하고 DX11은 GPU Queue를 꽉꽉 채우며 최대한의 성능을 내주고 있다.

최적화할 수 있는 포인트는 뭐가 있을까?• CPU -> Draw Call -> GPU까지의 과정이 짧아진건 명백한 사실.• 이 부분에선 확실히 성능향상이 있다.• Command List 작성과 Execute의 적절한 배분.• 하나의 Command List에 몰아서 Command를 기록하고 마지막에Execute 한번만 하면?• GPU가 펑펑 놀다가 마지막에 한번에 과부하를 받게 된다.• 여러 개의 Command List를 사용해서 Command기록과 Execute를 동시에 처리해야할 필요가 있다.• Command List 작성과 Execute의 비동기 처리를 극대화하기 위해 Multi-Thread Rendering이 필요하다.

From “Direct3D 12 API Preview” in Build 2014D3D12 runtime의 CPU처리가 훨씬 짧다.

D3D12 runtime의 CPU처리가 훨씬 짧다.• 따라서 비슷한 정도의 GPU점유율이라면 D3D12 엔진이 더 빠를 것이다.• GPU H/W Queue를 최대한 꽉 채우는 것이 성능 향상의 열쇠.

Execute호출 빈도 조절• Execute()를 해야만 GPU H/W Queue로 Command전송• D3D11엔진의 초기버전에선 Execute()를 present()직전에 한번만 호출했었다.• 그래서 Present 직전까지 GPU가 그냥 놀았다-_-;;;;;

Command List Pooling• 여러 개의 Command List를 미리 할당해 둔다.• Command List 하나당 N개의 오브젝트 렌더링에 대한Command를 기록.• N개에 도달하면 Execute(), 다음번 Command List에 계속해서렌더링 Command 기록.• 모든 오브젝트를 다 렌더링하거나 할당해 둔 Command List를다 사용할 때까지 반복.

Command List Pooling• 성능이 상당히 개선되었다.• 그러나 아직도 부족하다.

Multi-Thread Rendering• Multi-Thread로 Command 작성 시간을 최소화시킨다.• 단순계산으로 n이란 시간이 걸린다면 4 thread를 사용하면 시간을 n/4로 줄일 수 있다.• GPU Queue가 empty 되지 않도록 최선을 다한다.

D3D12에서의 Multi-Thread RenderingFrom “Approaching Minimum Overhead with Direct3D12” NVIDIA

Multi-Thread Rendering 구현• 스레드 1개당 Command List하나씩 배당• 엔진 내의 Queue에 담긴 오브젝트들을 각 스레드에 균등하게배분• 각 스레드는 자신의 Command List에 오브젝트들의 렌더링Command를 기록• 마지막 오브젝트까지 처리하고 난 후 Execute()

Multi-Thread Rendering 구현Thread 0Command ListObj 0Obj 1Obj 23Obj 24...Thread 1Command ListObj 25Obj 26Obj 48Obj 49...Thread 2Command ListObj 50Obj 51Obj 73Obj 74...Thread 3Command ListObj 75Obj 76Obj 98Obj 99...Command QueueExecute() Execute() Execute() Execute()

Res. 3000x2000 D3D11 D3D1210 Characters 25 fps 28 fps 11%100 Characters 16 fps 19 fps 16%성능비교(약을 팔진 않겠습니다..정직한 자료….)@Surface Book i5 nvidia dGPU

결론• D3D12로 포팅만 하면 11보다 빠를거라고 생각하면 큰 착각.• 45프레임 나오는 게임을 60프레임 만들고 싶을 때 사용한다.• 실질적으로 기대할 수 있는 성능향상폭은 10% - 30%정도.• 차세대 API는 다 비슷한데 그래도 D3D12가 가장 성능이 잘 나오는 편.• DirectX Runtime, Driver의 업데이트로 성능 향샹 가능성이 약간있음.• D3D12 API에 더 익숙해지면 조금 더 빨라지긴 할것임.

FAQ• DirectX 12를 사용 가능한 OS및 디바이스는?• Windows 10 PC, XBOX ONE, Windows 10 Mobile (Snapdragon 808이상 장착한 폰에 한해서, Lumia950/950XL)• Direct Write와 Direct2D를 쓰고 싶어요.• D3D11 on D2D를 사용하세요.• D3D12 API는 Thread-safe한가요?• 네. Thread-safe합니다. 별도의 lock을 걸어줄 필요가 없습니다.

Reference• yuchi dev D3D tag• Approaching Minimum Overhead with Direct3D12• Direct3D 12 API Preview• Efficient Rendering with DirectX 12 on Intel Graphics• DIRECTX ADVANCEMENTS IN THE MANY CORE ERA Getting the most out of the PC Platform• Using GPUView to Understand your DirectX 11 Game

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