“Forward Pixel Kill(FPK)”은 일부 ARM Mali GPU에 도입된 기술이다.
쉽게 말하면 Early Depth Test를 통과한 픽셀(Quad)을 곧 바로 Fragment Shading 처리하지 않고 잠시 대기(지연) 시킨 후, 이후 처리되는 삼각형의 픽셀의 Depth 값과 비교해 Overdraw된다면 대기 중이던 Pixel을 Kill(Fragment Shading 연산에서 제외)하는 기법이다.

아래 사진은 Early Depth Test 이후, Fragment Shading 단계 전 FIFO 버퍼를 추가하여 FPK를 구현한 구조를 보여준다. ( 이 구현은 이미 Fragment Shading 처리 중인 쉐이더를 죽이는 동작은 아니고 Fragment Shading 처리가 시작되기 이전에 Fragment Shading 연산 대상에서 제외시키는 구현이다. )

Early Depth Test 단계를 통과하여 새롭게 FPK FIFO 버퍼에 추가 될 Quad(Position 10, Depth 0)(Early Depth Test, FPK은 Quad 단위로 Culling 된다)은 이미 FIFO 버퍼에 추가되어 있는 Quad(Position 10, Depth 10)보다 Depth 값이 더 작으므로 기존 Quad를 대체(기존에 버퍼에 들어 있던, Fragment Shading 처리를 대기 중이던 Quad를 Fragment Shading 연산 대상에서 제외한다, 버린다)한다. (Opaque한 삼각형을 렌더링하고, Fragment Shader에서 Depth 값을 수정하지 않고, discard 동작을 수행하지 않는다면 Fragment Shading 수행 전 Depth 값을 알 수 있다. )
먼저(Forward) 처리될 예정이 었던 픽셀(Pixel, 정확히는 Quad)을 Kill한다고 해서 “Forward Pixel Kill”이라고 부른다…
새롭게 Queue에 추가 될 Quad(Position 10, Depth 0)에 의해 오버드로우 될 예정인 기존 Quad(Position 10, Depth 10)를 (Fragment Shading이 시작되기 전에 미리) 제거함으로서 해당 Quad(Overdraw 될 Quad)에 대한 불필요한 연산(Fragment Shading) 낭비를 막을 수 있게 된 것이다.
Quad를 Fragment Shading 단계 전에 이렇게 FIFO 버퍼는 추가하는 것도 Quad가 Fragment Shading 처리되는 것을 의도적으로 지연(!)시켜서 FPK를 극대화하기 위함이다.
FPK는 Early Depth Test에서 걸러지지 못한(Overdraw될 것임을 확정하지 못해 Early Depth Test를 통과한) 픽셀들을 추가로 걸러준다.
다만 이러한 FIFO 버퍼도 저장할 수 있는 Quad 데이터의 개수가 한정되어 있기 때문에 이 FIFO 버퍼가 꽉 찬다면 맨 앞에 있는 Quad는 Fragment Shading 처리해주어 새로운 Quad가 들어올 공간을 마련해주어야 한다.(FPK의 효과를 극대화하기 위해서는 FIFO 버퍼 사이즈가 충분히 커야한다.)

흔히 Early Depth Test(Early Z Kill)의 효과를 극대화하기 위해 카메라로부터 가까운 오브젝트부터 먼저 그리는데, 이 FPK 기술은 FIFO 버퍼를 충분한 크기로 확보한다면 오브젝트의 카메라로부터의 거리를 고려하지 않고(Sorting하지 않고) 렌더링을 수행하여도 Sorting을 했을 때 못지 않은 퍼포먼스를 보여준다고 ARM에서는 설명한다.(먼 거리의 오브젝트부터 그려도 해당 오브젝트의 픽셀들이 곧 바로 Fragment Shading 처리되지 않고 FIFO 버퍼에 대기하기 때문에 이후 보다 가까운 오브젝트를 처리할 때 FPK의 효과로 FIFO 버퍼에 대기 중이던 먼 거리의 오브젝트의 픽셀들을 Kill할 수 있기 때문이다..) 다만 ARM에서도 단서를 붙인 것이 그럼에도 불구하고 Early-Z Test가 FPK에 비해 전력 효율이 좋고, 오래된 Mali GPU에서도 동작하기 때문에(9년 전 나온 Samsung Exynos5420에도 FPK가 적용되어 있는걸 보면, 최신 Mali GPU에서는 왠만하면 다 적용되어 있을 듯.) 오브젝트 Sorting을 수행하는 것은 여전히 퍼포먼스를 위해 필수적이라고 말한다.

ARM쪽 설명에 의하면 기존 Frame Buffer 의 값을 활용하거나(Blending하거나), Alpha Test를 사용하거나, 삼각형의 크기가 너무 작거나, 프레임 버퍼를 공유하는 경우 FPK가 적용되지 않는다고 한다.

( 역주 : 추가적으로 Arm Mali GPU의 Tile Based Rendering에 관한 글도 읽어보면 좋을 듯 하다.

references : https://community.arm.com/arm-community-blogs/b/graphics-gaming-and-vr-blog/posts/killing-pixels—a-new-optimization-for-shading-on-arm-mali-gpus, https://www.cnblogs.com/timlly/p/15546797.html, https://zhuanlan.zhihu.com/p/464337040