멀티스레드 게임 루프 설계 및 병렬 처리

게임 개발을 오래 하다 보면 어느 순간 벽을 느끼게 돼요. 분명 코드 최적화도 하고, 그래픽도 가볍게 만들었는데 왜 프레임이 떨어지는 걸까? 그런 순간, 우리는 루프 구조의 한계를 마주하게 됩니다. 그리고 해답은 의외로 명확하죠. ‘이제는 멀티스레딩을 제대로 활용할 때’라는 신호입니다. 하지만 단순히 스레드를 나눈다고 해결되진 않아요. 설계의 본질을 다시 들여다봐야 하거든요.

게임 루프의 병목 이해

현대 게임의 대부분 문제는 ‘프레임 유지’에 있어요. 60FPS를 유지하지 못하면 유저는 곧바로 “이 게임 렉 걸린다”는 평가를 내리죠. 그렇다면 병목은 어디서 생기는 걸까요?

FPS 저하의 원인 파악

이벤트 대기와 입력 처리 지연

가장 흔한 병목은 ‘입력 이벤트 처리’ 지연입니다. 입력 큐에서 사용자 조작을 받아 처리하는 데 시간이 오래 걸리면, 그만큼 다음 로직 실행이 늦어지게 돼요. Unity의 공식 성능 분석 자료(2021, Unity Technologies)는 입력 큐 지연이 게임 루프 전체 시간의 최대 12%를 차지할 수 있다고 밝혔습니다.

연산 집중 구간의 부하

AI 행동 판단, 물리 충돌 감지, 경로 탐색 등은 연산 밀도가 매우 높아요. 특히 RTS나 대규모 MMO에선 수백 개의 유닛이 한 번에 판단을 내리기 때문에, 이 순간 프레임이 ‘뚝’ 떨어지는 경험 많으셨을 거예요. 이런 구간을 병렬로 쪼개지 않으면 성능은 반드시 정체됩니다.

CPU 코어 활용의 비효율

싱글코어 한계 상황

여전히 많은 게임 엔진이 루프의 핵심 연산을 하나의 메인 스레드에서 처리하고 있어요. 문제는, CPU는 이미 8코어, 16스레드 시대인데, 실제 사용률은 20~30%에 그친다는 점이죠. 즉, 하드웨어는 준비됐는데, 소프트웨어가 따라가지 못하는 상황이 벌어지는 거예요.

스레드 미배분으로 인한 정체

코어가 남아돌아도, 정작 병렬 처리를 하지 않으면 아무 소용 없어요. 경량 작업(예: 오디오, 로그 기록 등)은 별도 스레드에 할당하면 되지만, 이걸 하지 않으면 메인 루프는 항상 기다려야 합니다. 결국 전체 루프가 느려지고, 유저는 렉을 체감하게 돼요.

스레드 구조의 분리 설계

멀티스레딩을 도입할 때 가장 먼저 해야 할 건 ‘무작정 나누기’가 아니에요. 어떤 데이터를 누가 언제 쓰는지, 어떤 작업이 서로 영향을 주는지를 파악하는 거예요. 이걸 무시하면 무한 루프, 충돌, 프리징이 생기죠.

주요 모듈 분할 기준

데이터 종속성 분석

가장 중요한 기준은 바로 데이터 종속성입니다. 예를 들어, 애니메이션 처리와 물리 연산이 같은 캐릭터 위치 데이터를 공유한다면, 이 두 작업을 동시에 실행하는 건 위험할 수밖에 없어요. 그래서 Epic Games는 Unreal Engine의 Task Graph 시스템에서 ‘Dependency Graph’를 먼저 구성해 모듈 간 관계를 시각화하는 방식을 씁니다 (Epic Games Whitepaper, 2021).

계산량 기반 분산 논리

연산량이 많은 작업을 우선적으로 분리하는 것도 중요해요. 경로 탐색 알고리즘(A*)이나 대규모 파티클 물리 효과 같은 건 GPU보다 CPU 연산이 더 많은 경우가 있어요. 이럴 땐 연산 밀도를 기준으로 스레드를 우선 할당해야 해요.

프레임 동기화 전략

Barrier 동기화 방식

각 스레드가 자기 역할을 끝낸 후, 다음 단계로 넘어가기 전에 반드시 동기화를 해야 해요. 이를 “Barrier” 방식이라고 부르는데, 일종의 ‘모임 지점’을 만드는 거예요. Java나 C++의 Thread Barrier 클래스, Unity의 JobHandle.Complete() 메서드 등이 대표적이에요.

프레임 경계의 시간 정렬

멀티스레딩 환경에선 프레임 간 연산 타이밍이 엇갈리는 문제가 자주 발생해요. 이를 막기 위해선 각 루프 주기를 타이머 기반으로 엄격하게 정렬해줘야 해요. Unity ECS에서는 FixedUpdateGroup, LateSimulationGroup 등을 통해 이 구조를 보장합니다 (Unity DOTS 공식 문서, 2022).

병렬 처리의 실전 구현

지금부터는 진짜 ‘현장 이야기’예요. 스레드를 쪼갰는데 왜 여전히 튕기고 멈출까요? 이유는 단 하나, 데이터 접근 때문입니다. 이걸 어떻게 안전하게, 효율적으로 처리할 수 있을지 살펴봐요.

안전한 데이터 공유 구조

메시지 큐와 명령 분배

스레드 간에 직접 데이터를 건드리는 대신, 메시지 형태로 명령만 전달하는 구조가 훨씬 안전해요. 예를 들어, AI 스레드는 “이동해라”라는 명령만 남기고, 실제 위치 계산은 물리 스레드가 담당하는 거죠. Unity ECS의 CommandBuffer, Unreal의 EnqueueWork 같은 API가 여기에 해당해요.

Immutable 객체 설계 원칙

읽기 전용 데이터는 수정하지 않는다는 원칙, 정말 중요해요. 데이터를 변경할 때는 복사본을 만들어 작업하고, 그걸 다음 프레임에서 교체하는 식으로 처리해요. 이 구조는 React, Elm 같은 함수형 프레임워크에서도 쓰이는 개념이고, Unity의 ReadOnly 속성도 같은 맥락이에요.

스케줄러와 작업 큐

작업 단위(Task) 최적화

모든 작업을 스레드에 바로 던지는 건 효율이 나빠요. 그래서 ‘작업 단위(Task)’로 묶어서 처리하고, 큐에 등록하는 방식이 효과적이에요. 예를 들어, 100개의 NPC 이동 계산을 한 번에 던지는 대신, 10개씩 나눠서 10개의 작업으로 등록하는 거예요. 이렇게 하면 캐시 효율도 좋아지고, 스레드 부하도 균형이 잡혀요.

스레드 풀과 우선순위 처리

작업 큐에 등록된 Task는 스레드 풀(Thread Pool)이 적절히 분배해서 처리해요. 이때 중요한 건 ‘우선순위’입니다. 예: 렌더링 관련 작업은 항상 우선순위를 높게 유지해야 해요. Unity Job System에서는 BurstCompile 옵션을 통해 연산 강도를 줄이고, 우선순위를 조정하는 전략을 함께 씁니다.

Unity DOTS, Bevy ECS, Flecs 메모리 친화적 구조 설계 👆

결론

멀티스레드 게임 루프 설계는 단순한 성능 향상 기법이 아닙니다. 이는 게임이 복잡해지고, 동시성과 확장성이 요구되는 시대에서 반드시 필요한 기술적 진화의 한 부분이에요. 입력 처리부터 물리 계산, 렌더링에 이르기까지 각각의 작업을 스레드로 분산시키되, 정확한 동기화와 데이터 안전성이 보장되지 않으면, 오히려 시스템 전체가 불안정해질 수 있다는 점을 기억해야 합니다.

실제로 병렬 처리 전략은 우리가 하드웨어의 성능을 최대한 끌어올릴 수 있는 기회인 동시에, 코드 구조를 처음부터 다시 설계해야 하는 도전이기도 하죠. 하지만 이 과정을 잘 넘긴다면, 단지 빠른 게임이 아니라, 확장성과 유지 보수성까지 고려한 ‘강건한 아키텍처’를 얻게 됩니다.

지금까지 다룬 이론과 전략이 막막하게 느껴졌다면, 너무 걱정하지 마세요. 중요한 건 모든 걸 한 번에 완성하려 하기보다, 한 스레드씩, 한 구조씩 점진적으로 도입해보는 거예요. 결국 게임 루프도 하나의 반복입니다. 그 안에서 우리가 설계하고 학습하며 계속 진화할 수 있기를 바랍니다.

Entity-Component-System (ECS) 아키텍처 설계 및 최적화 👆

FAQ

멀티스레드 게임 루프는 꼭 필요한가요?

모든 게임에 반드시 필요한 것은 아니지만, AI, 물리, 대규모 객체 연산이 많은 중형 이상 게임에서는 필수에 가까워요. 단일 스레드만으로는 CPU 성능을 모두 활용할 수 없기 때문에, 병목 현상을 줄이기 위해 멀티스레드 구조는 매우 유용합니다.

멀티스레드와 멀티코어는 무슨 차이인가요?

멀티스레드는 하나의 프로그램 내에서 여러 작업을 병렬로 처리하려는 소프트웨어 구조이고, 멀티코어는 이를 실행할 수 있는 하드웨어 기반입니다. 즉, 멀티스레드 구조를 써야 멀티코어 CPU의 성능을 제대로 활용할 수 있어요.

Unity나 Unreal에서도 멀티스레드가 기본인가요?

Unity는 DOTS 및 Job System을 통해 멀티스레드를 점진적으로 도입하고 있으며, Unreal Engine은 Task Graph 시스템을 통해 기본적으로 다양한 작업을 병렬 처리합니다. 특히 대형 프로젝트일수록 이 구조가 기본처럼 사용돼요.

멀티스레드 구조로 전환하면 성능이 무조건 좋아지나요?

아니요. 잘못 설계하면 오히려 성능이 떨어질 수 있습니다. 스레드 간 충돌, 과도한 컨텍스트 스위칭, 동기화 병목 등 다양한 위험 요소가 있기 때문에, 설계 단계부터 꼼꼼한 전략이 필요해요.

어떤 작업부터 멀티스레드로 나누는 게 좋을까요?

물리 연산, AI 판단, 네트워크 처리, 애니메이션 업데이트 등 독립성이 높은 작업부터 시작하는 게 좋아요. 렌더링은 플랫폼이나 엔진에 따라 별도의 제약이 있을 수 있으니 주의가 필요합니다.

스레드 간 데이터 공유는 어떻게 해야 안전한가요?

공유보다는 메시지 큐를 통한 간접 전달이 가장 안전합니다. 직접 공유해야 하는 경우에는 Lock-Free 구조나 Immutable 객체를 사용해 충돌 가능성을 줄이는 방식이 일반적입니다.

병렬 처리 시 프레임 드랍이 발생하는 이유는 무엇인가요?

동기화 타이밍이 어긋나거나, 스레드 간 경쟁 조건이 발생해서 루프의 한 주기가 지연될 경우 프레임 드랍이 발생할 수 있습니다. 작업을 지나치게 쪼개거나, 오버헤드가 큰 연산이 여러 스레드에 분산될 경우도 주의해야 합니다.

콘솔 게임에서도 멀티스레드가 적용되나요?

네, 특히 PlayStation, Xbox 등 최신 콘솔은 고성능 멀티코어 구조를 기반으로 하고 있어, 멀티스레드 최적화가 필수입니다. 콘솔 전용 엔진은 이러한 구조를 고려해 기본적으로 Task 기반 설계를 탑재하고 있는 경우가 많습니다.

스레드 디버깅은 어떻게 하나요?

Visual Studio의 Thread Window, Unity Profiler, Unreal Insights 같은 도구들이 효과적입니다. 병목 지점을 찾으려면 Thread Timeline 분석, Job 실행 시간 비교, Frame Delay Tracking 등을 함께 사용하는 것이 좋습니다.