초대 플레이스테이션 아키텍처 뜯어보기: 왜 화면은 흔들렸고, 그래도 왜 그렇게 잘 팔렸나

초대 플레이스테이션은 “싸고 단순한 3차원 머신”을 노린 설계였음

• 소니는 데뷔 콘솔에서 3차원 개발을 너무 복잡하게 만들지 않는 쪽을 택함

  • 중앙처리장치는 밉스 아르삼천에이 계열과 호환되는 32비트 축소 명령어 집합 프로세서였고, 클럭은 33.87메가헤르츠였음
  • 메인 메모리는 2메가바이트, 비디오 메모리는 1메가바이트, 사운드 메모리는 512킬로바이트라는 지금 보면 말도 안 되게 작은 자원으로 돌아감
  • 대신 지오메트리 변환 엔진, 동영상 디코더, 그래픽 처리 장치, 사운드 처리 장치처럼 전용 블록을 잘 나눠서 각자 일을 시킴

• 중앙처리장치 선택은 성능보다 “가격 대비 충분함”에 가까웠음

  • 소니는 그래픽과 오디오 칩은 자체 설계했지만, 이를 지휘할 메인 프로세서가 필요했음
  • 엘에스아이 로직의 코어웨어 프로그램을 통해 밉스 계열 코어를 커스터마이즈했고, 플레이스테이션용 시스템 온 칩을 만들었음
  • 고급 워크스테이션급 칩을 쓰는 대신, 콘솔 가격을 맞추면서도 3차원 게임을 보여줄 수 있는 선을 찾은 셈임

• 이 중앙처리장치는 데이터 캐시가 없고, 대신 1킬로바이트 스크래치패드를 가짐

  • 명령어 캐시는 4킬로바이트였지만 일반적인 데이터 캐시 대신 고정 주소에 매핑된 빠른 정적 메모리를 제공했음
  • 직접 메모리 접근이 메인 버스를 잡고 있을 때 중앙처리장치는 버스 접근이 막히므로, 스크래치패드에 할 일이 있으면 그동안 놀지 않을 수 있었음

그래픽은 전용 엔진을 잘 쪼갰지만, 한계도 화면에 그대로 보였음

• 3차원 파이프라인 앞단은 지오메트리 변환 엔진이 담당함

  • 지오메트리 변환 엔진은 행렬과 벡터 연산, 원근 투영, 조명, 클리핑, 깊이 평균 같은 작업을 고정소수점으로 처리함
  • 부동소수점 장치는 없었지만, 게임 로직과 충돌 처리 정도는 고정소수점으로 충분히 버틸 수 있다는 판단이었음
  • 이건 비행 시뮬레이터가 아니라 가정용 게임기였으니까, 정밀도보다 프레임과 가격이 더 중요했음

• 실제 그리기는 소니 전용 그래픽 처리 장치가 맡음

  • 중앙처리장치는 내부 64바이트 선입선출 버퍼에 최대 3개 명령을 넣어 그래픽 처리 장치에 보냄
  • 그래픽 처리 장치는 선, 사각형, 삼각형을 그릴 수 있었고, 풍부한 3차원 모델의 기본 재료는 삼각형이었음
  • 스파이로 더 드래곤 같은 캐릭터 모델은 413개 삼각형, 크래시 밴디쿳은 732개 삼각형으로 구성된 사례가 소개됨

• 플레이스테이션에는 하드웨어 지 버퍼가 없었고, 대신 정렬 테이블을 사용함

  • 중앙처리장치가 폴리곤을 깊이값 기준으로 정렬해 테이블에 넣고, 직접 메모리 접근으로 그래픽 처리 장치에 넘기는 방식임
  • 어떤 면이 앞에 있어야 하는지 하드웨어가 픽셀 단위로 해결하지 않으니, 정렬 루틴이 대충이면 겹침이나 깜빡임이 보일 수 있음
  • 당시 게임 화면에서 삼각형이 이상하게 튀거나 서로 싸우는 듯 보이는 현상은 여기서도 일부 설명됨

• 텍스처가 휘어 보이는 이유는 어파인 텍스처 매핑 때문임

  • 그래픽 처리 장치는 깊이값을 반영한 원근 보정 없이 이차원 좌표만으로 텍스처를 보간했음
  • 카메라가 모델에 가깝고 폴리곤이 클수록 텍스처가 울렁거리거나 휘어 보이기 쉬웠음
  • 일부 게임은 큰 폴리곤을 더 작은 삼각형으로 쪼개는 테셀레이션으로 왜곡을 줄였고, 어떤 경우엔 텍스처 대신 단색을 쓰기도 했음

• 그래도 플레이스테이션 그래픽 처리 장치가 잘한 것도 많았음

  • 반투명, 디더링, 고라우드 셰이딩 같은 효과를 지원했고, 특히 반투명과 디더링은 꽤 강점으로 평가됨
  • 평면 셰이딩은 고라우드 셰이딩보다 약 2.5배 많은 폴리곤을 채울 수 있어서, 개발자는 어디에 더 그럴듯한 조명이 필요한지 골라야 했음
  • 비디오 메모리는 텍스처 페이지와 색상 조회 테이블을 조합해 4비트, 8비트 텍스처도 유연하게 쓸 수 있었음

시디와 오디오는 세대 전환의 핵심이었음

• 동영상 디코더는 시디 기반 콘솔의 매력을 직접 살린 부품이었음

  • 매크로블록 디코더는 제이펙과 비슷한 방식으로 압축된 8×8 픽셀 블록을 그래픽 처리 장치가 이해할 수 있는 비트맵으로 풀었음
  • 초당 9천 개 매크로블록을 처리할 수 있어서 320×240 해상도 풀 모션 비디오를 초당 30프레임으로 스트리밍할 수 있었음
  • 파이널 판타지 같은 게임에서 사전 렌더링 배경이나 영상이 강하게 먹힌 이유가 여기 있음

• 사운드 처리 장치는 44.1킬로헤르츠, 16비트 샘플 24채널을 지원함

  • 오디오 시디 품질과 맞먹는 샘플링 주파수였고, 피치 변조, 주파수 변조, 엔벨로프, 반복 재생, 디지털 리버브도 제공했음
  • 사운드 메모리는 512킬로바이트였지만 실제 샘플 저장에는 약 508킬로바이트만 쓸 수 있었고, 리버브를 켜면 더 줄어들었음
  • 게임 음악은 짧은 샘플을 조합하는 시퀀싱 방식과, 시디에서 미리 만든 트랙을 스트리밍하는 방식을 섞을 수 있었음

• 시디롬은 단순 저장장치가 아니라 별도 작은 컴퓨터처럼 구성됐음

  • 디지털 신호 처리 장치, 모토로라 68에이치시공오 마이크로컨트롤러 기반 서브 중앙처리장치, 시디 컨트롤러, 32킬로바이트 정적 메모리 버퍼가 함께 동작함
  • 서브 중앙처리장치의 롬 프로그램은 복제 방지 검사를 수행했고, 메인 중앙처리장치가 마음대로 무시할 수 없는 구조였음
  • 시디 매체 덕분에 게임은 약 620메가바이트 저장 공간, 풍부한 오디오, 영상 연출을 얻게 됨

바이오스와 개발 환경도 의외로 현대적인 면이 있음

• 플레이스테이션은 512킬로바이트 롬에 바이오스를 담고 있었음

  • 부팅, 셸 표시, 시디롬과 메모리 카드 파일 시스템, 입출력 루틴, 표준 시 함수 일부를 제공했음
  • 롬 접근은 8비트 버스라 느렸기 때문에, 커널 성격의 루틴은 부팅 때 메인 메모리로 복사됐고 64킬로바이트가 예약됐음
  • 이런 추상화 덕분에 나중에 공식·비공식 에뮬레이션이 다양한 플랫폼에서 가능해진 면도 있음

• 개발사는 시 컴파일러와 라이브러리가 포함된 개발 키트를 받았음

  • 전문 개발 장비로는 플레이스테이션 내부와 입출력을 담은 아이에스에이 카드 형태의 개발 보드가 있었고, 윈도우 3.1 또는 95가 필요했음
  • 취미 개발자용으로는 검은색 본체와 툴킷이 포함된 넷 야로제가 나왔지만, 시디 드라이브 접근은 제공되지 않아 프로그램을 메인 메모리에 올려야 했음
  • 이 제한 때문에 넷 야로제 홈브루는 상업용 개발 키트보다 훨씬 빡센 자원 제약을 안고 시작했음

복제 방지는 하드웨어, 소프트웨어, 꼼수의 전쟁이었음

• 소니는 정품 시디의 리드인 영역에 있는 특정 흔들림 주파수를 활용함

  • 이른바 워블 그루브는 마스터링 과정에서 만들어지는 신호라 일반 시디 라이터로 복제하기 어려웠음
  • 테이블 오브 콘텐츠에는 지역에 따라 에스시아이에이, 에스시이에이, 에스시아이 같은 문자열도 들어가 지역 잠금에 쓰였음
  • 다만 검사가 부팅 초기에 한 번만 이뤄지는 구조라, 인증 직후 디스크를 바꾸는 스왑 꼼수가 가능했음

• 이후에는 모드칩과 게임별 복제 방지 루틴이 등장함

  • 모드칩은 워블 그루브 신호를 흉내 내도록 본체에 납땜하는 작은 보드였고, 엄청나게 퍼졌음
  • 나중 게임들은 체크섬이나 시디 드라이브 재초기화 같은 자체 보호 기법을 넣어 에뮬레이터, 복제 디스크, 개조 본체를 견제했음
  • 소니의 라이브크립트는 특정 섹터의 체크섬을 서브채널에 저장하고, 게임 코드 곳곳에서 이를 검증하는 식으로 보호를 강화했음

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기술 맥락

• 플레이스테이션의 큰 선택은 범용 성능을 무작정 올리는 대신, 그래픽·동영상·오디오·시디 입출력을 전용 블록으로 나눈 거예요. 33.87메가헤르츠 중앙처리장치 하나로 모든 걸 밀어붙이기엔 3차원 게임과 풀 모션 비디오는 너무 무거웠거든요.

• 지오메트리 변환 엔진을 둔 이유도 여기 있어요. 중앙처리장치가 게임 로직과 입출력까지 처리해야 하는데, 3차원 투영과 조명 계산까지 계속 떠안으면 병목이 커져요. 그래서 행렬·벡터 연산을 전용 엔진으로 빼고, 그래픽 처리 장치는 받은 삼각형을 빠르게 픽셀로 바꾸는 쪽에 집중했어요.

• 대신 이 구조는 개발자에게 꽤 많은 책임을 넘겼어요. 지 버퍼가 없으니 폴리곤 정렬은 소프트웨어가 해야 했고, 직접 메모리 접근이 버스를 잡으면 중앙처리장치가 기다려야 했어요. 그래서 스크래치패드, 정렬 테이블, 비디오 메모리 배치 같은 저수준 최적화가 게임 품질을 크게 갈랐어요.

• 텍스처 왜곡도 같은 맥락이에요. 원근 보정 텍스처 매핑이나 서브픽셀 해상도를 넣으면 품질은 좋아지지만 칩은 더 비싸지고 복잡해져요. 소니는 비용과 단순성을 택했고, 개발자들은 폴리곤을 쪼개거나 카메라를 조정하는 식으로 그 한계를 다뤘어요.

• 시디 하위 시스템과 사운드 처리 장치는 저장 매체 전환의 효과를 극대화한 쪽이에요. 620메가바이트급 시디, 에이디피시엠 오디오, 동영상 디코더가 합쳐지면서 이전 세대보다 훨씬 영화 같은 연출이 가능해졌어요. 단순히 중앙처리장치가 빠른 콘솔이 아니라, 각 작업에 맞는 전용 회로를 깔아둔 멀티미디어 머신에 가까웠던 거죠.