직접 만든 FPGA 보드에서 Quake II를 돌려버린 이야기

하드웨어를 직접 설계해서 게임을 돌린다고?

FPGA라는 걸 들어보셨나요? 이게 뭐냐면, 프로그래밍으로 회로 자체를 바꿀 수 있는 특별한 칩이에요. 보통 우리가 쓰는 CPU는 이미 설계가 고정되어 있잖아요. Intel이든 ARM이든, 칩이 공장에서 나온 순간 그 구조는 정해져 있어요. 근데 FPGA(Field-Programmable Gate Array)는 달라요. 하드웨어 기술 언어(HDL)로 코드를 작성하면, 그 칩 안의 논리 회로가 재구성돼요. 쉽게 말하면 "소프트웨어로 하드웨어를 만드는" 거예요.

한 개발자(mikhe.ch)가 자신이 직접 설계하고 제작한 FPGA 보드에서 1997년에 나온 클래식 FPS 게임 Quake II를 구동하는 데 성공했어요. 이게 그냥 에뮬레이터를 돌린 게 아니에요. FPGA 위에 자체 CPU 코어와 GPU 파이프라인을 구현하고, 거기서 실제 게임 엔진이 돌아가게 만든 거예요. 이 프로젝트의 네 번째이자 마지막 파트가 공개됐는데, 여기까지 오기까지의 과정이 정말 대단해요.

기술적으로 어떻게 가능한 건가요

이 프로젝트의 핵심을 이해하려면 FPGA 위에서 뭘 구현했는지를 알아야 해요. 개발자는 RISC-V 기반의 소프트 CPU 코어를 FPGA에 구현했어요. RISC-V는 오픈소스 명령어 집합 아키텍처(ISA)인데요, 이게 뭐냐면 CPU가 이해할 수 있는 명령어의 규격이 공개되어 있어서 누구나 이 규격에 맞는 CPU를 만들 수 있다는 뜻이에요. ARM이나 x86처럼 라이선스 비용을 내지 않아도 되니까, 이런 DIY 프로젝트에 딱 맞죠.

CPU만으로는 게임을 돌릴 수 없어요. Quake II는 3D 렌더링이 필요한 게임이니까요. 그래서 개발자는 간단한 래스터라이저(rasterizer)도 FPGA에 구현했어요. 래스터라이저가 뭐냐면, 3D 공간의 삼각형 데이터를 2D 화면의 픽셀로 변환하는 장치예요. 현대 GPU의 핵심 기능 중 하나를 손수 만든 거죠. 물론 최신 GPU처럼 수천 개의 셰이더 코어가 있는 건 아니고, 아주 기본적인 수준이에요. 하지만 Quake II는 1997년 게임이니까, 당시 기준의 하드웨어 가속만으로도 충분히 플레이 가능한 프레임레이트가 나와요.

메모리 관리도 중요한 도전이었어요. FPGA 보드에 탑재된 DDR 메모리를 제어하는 컨트롤러도 직접 작성해야 했거든요. DDR 메모리 컨트롤러를 밑바닥부터 만드는 건 정말 까다로운 작업이에요. 타이밍이 조금만 어긋나도 데이터가 깨지니까요.

FPGA 프로젝트의 맥락

FPGA로 게임을 돌리는 프로젝트는 사실 이전에도 있었어요. 대표적으로 MiSTer FPGA 프로젝트가 있는데, 이건 레트로 게임기(NES, SNES, 세가 메가드라이브 등)의 하드웨어를 FPGA로 재현하는 프로젝트예요. 에뮬레이터와 다른 점은, 소프트웨어로 하드웨어를 흉내내는 게 아니라 실제 하드웨어 레벨에서 동일한 회로를 만들어내기 때문에 원본과 거의 똑같은 타이밍과 동작을 보장한다는 거예요.

하지만 이번 프로젝트가 특별한 이유는 상용 FPGA 보드를 쓴 게 아니라 PCB 설계부터 직접 했다는 점이에요. 보드 자체를 처음부터 만들었다는 건, 회로도 설계, PCB 레이아웃, 부품 선정, 납땜까지 전부 직접 했다는 뜻이에요. 요즘은 KiCad 같은 오픈소스 PCB 설계 도구와 JLCPCB 같은 저가 PCB 제조 서비스 덕분에 개인도 이런 프로젝트를 시도할 수 있게 됐어요.

한국 개발자에게 주는 시사점

"그래서 이걸 왜 알아야 하지?"라고 생각하실 수 있어요. 솔직히 대부분의 웹/앱 개발자에게는 당장 쓸 일이 없을 거예요. 하지만 몇 가지 관점에서 의미가 있어요.

첫째, FPGA는 AI 가속기 분야에서 점점 중요해지고 있어요. Xilinx(지금은 AMD에 인수됨)의 FPGA가 데이터센터에서 추론 가속에 쓰이고 있고, Intel도 FPGA 사업부(Altera)를 분사시킬 정도로 이 시장에 주목하고 있어요. FPGA의 기본 개념을 이해해두면, 하드웨어 가속이 왜 중요한지, 커스텀 실리콘이 어떤 장점이 있는지를 파악하는 데 도움이 돼요.

둘째, RISC-V 생태계가 빠르게 성장하고 있어요. 한국에서도 삼성전자, SK하이닉스 같은 반도체 기업들이 RISC-V에 투자하고 있고, 스타트업 레벨에서도 RISC-V 기반 칩 설계가 활발해요. 이 프로젝트처럼 RISC-V 코어를 직접 FPGA에 올려서 실험해보는 경험은, 임베디드나 반도체 쪽 커리어를 고려하는 분들에게 정말 좋은 학습 경로예요.

셋째, 이 프로젝트는 "풀스택"의 의미를 극한까지 확장한 사례예요. 하드웨어 설계부터 OS 포팅, 게임 엔진 최적화까지 한 사람이 해낸 거거든요. 이런 깊이 있는 프로젝트가 포트폴리오에 있다면, 어디서든 눈에 띌 수밖에 없어요.