Шейдеры: GLSL, HLSL, WGSL

Как GPU знает, каким цветом покрасить каждый пиксель персонажа в игре? Как Stable Diffusion генерирует изображения прямо на видеокарте? Ответ - шейдеры: крошечные программы, исполняемые параллельно на тысячах ядер GPU. Эта тема - сердце GPU-программирования.

• **PBR в играх (Unreal, Unity):** fragment shader с моделью Disney BRDF - каждый пиксель считает уравнение рассеивания света в реальном времени
• **Stable Diffusion / DLSS:** compute shaders - нейросети работают как матричные операции на GPU без graphics pipeline
• **Shader compilation stutter:** причина фризов в новых играх - драйвер компилирует SPIR-V в нативный код при первом использовании pipeline
• **WebGPU и WGSL:** новый стандарт браузерной графики, позволяющий запускать сложные шейдеры в браузере с нативной производительностью

Vertex Shader

Каждый кадр в Cyberpunk 2077 содержит миллионы вершин. GPU не рисует их по одной вручную - вместо этого запускает крошечную программу (vertex shader) параллельно для каждой вершины. Именно шейдеры позволяют GPU рисовать 10 миллионов треугольников в секунду.

**Vertex shader** - первый программируемый этап GPU pipeline. Он получает данные одной вершины (позиция, нормаль, UV-координаты) и обязан вернуть её положение в clip space. Между этим он может делать что угодно: деформировать меш, анимировать персонажа, передавать данные дальше в fragment shader.

**Главное правило:** vertex shader запускается ровно по одному разу на каждую вершину, и все они выполняются параллельно. Нет никакой возможности обратиться к соседней вершине из шейдера - только к данным своей вершины и uniform-буферам.

Fragment Shader и PBR

После растеризации треугольника GPU знает, какие пиксели он занимает. Для каждого такого пикселя (fragment) запускается fragment shader - именно здесь определяется итоговый цвет. Все фотореалистичные эффекты в современных играх - отражения, тени, металлический блеск - это код в fragment shader.

**PBR (Physically Based Rendering)** - стандарт в индустрии с 2013 года (Disney BRDF). Идея: цвет пикселя - это результат физически корректного уравнения рассеивания света. Два ключевых параметра материала: **metallic** (металл/диэлектрик) и **roughness** (гладкость поверхности).

**GLSL vs HLSL vs WGSL:** GLSL - язык OpenGL и Vulkan (в SPIR-V компилируется). HLSL - язык DirectX, де-факто стандарт для AAA-игр на Windows. WGSL - новый язык WebGPU, безопасный по типам, запускается в браузере. Синтаксис похожий, семантика почти идентична.

Compute Shader

Stable Diffusion генерирует изображение 512x512 за секунды прямо на вашей видеокарте. Никаких вершин, никаких треугольников - только математика над тензорами. Это возможно благодаря compute shaders: GPU-программам без привязки к graphics pipeline.

**Compute shader** запускается в виде трёхмерной сетки рабочих групп (workgroups). Каждая группа состоит из потоков (invocations), которые разделяют быструю shared memory и могут синхронизироваться через барьеры. Именно эта модель делает GPU мощным для GPGPU-задач: физика, ray tracing, machine learning.

**Применения compute shaders в играх:** генерация частиц, постобработка (bloom, SSAO, TAA), подготовка draw calls (GPU culling), ray tracing (BVH traversal), симуляция ткани и жидкостей. Современные игры выполняют сотни compute dispatches за кадр.

SPIR-V и компиляция шейдеров

До 2015 года каждый GPU-вендор (NVIDIA, AMD, Intel) имел собственный компилятор шейдеров в драйвере. Разработчики жаловались: один и тот же GLSL код компилировался по-разному, давая разный результат и разную производительность. Khronos решил проблему радикально: ввёл **SPIR-V** - промежуточное представление, которое компилятор вендора получает вместо исходного GLSL.

**SPIR-V** (Standard Portable Intermediate Representation) - бинарный байткод для шейдеров, аналог LLVM IR для CPU. Разработчик компилирует GLSL/HLSL/WGSL в SPIR-V заранее (при сборке игры), а драйвер уже переводит SPIR-V в нативные инструкции конкретного GPU. Это разделение ответственности убирает недетерминизм из драйверной компиляции.

**Pipeline cache:** даже компиляция SPIR-V -> нативный код занимает время (причина «shader compilation stutter» в играх). Vulkan позволяет кешировать результат через VkPipelineCache и сохранять на диск. Современные игры (God of War, Spider-Man) делают этот прогрев в фоне при первом запуске.

Шейдеры: GLSL, HLSL, WGSL

• Vertex shader запускается на каждую вершину параллельно - обязан вернуть gl_Position в clip space
• Fragment shader определяет цвет каждого пикселя - здесь живёт PBR (metallic/roughness модель)
• Compute shader - GPU-вычисления без graphics pipeline: ML, физика, постобработка
• GLSL (OpenGL/Vulkan), HLSL (DirectX), WGSL (WebGPU) - разный синтаксис, одна модель
• SPIR-V - промежуточное представление: шейдер компилируется в .spv при сборке, драйвер переводит в ISA при runtime
• Pipeline cache решает проблему shader stutter - результат компиляции SPIR-V сохраняется на диск

Связанные темы

Шейдеры - программируемая часть GPU pipeline. Чтобы запустить их в Vulkan, нужно понять pipeline objects и memory model.

• GPU Pipeline и растеризация — Шейдеры встроены в pipeline на фиксированных стадиях
• Vulkan и Modern Graphics API — Как загрузить SPIR-V шейдеры и создать pipeline в Vulkan

Вопросы для размышления

• Почему vertex shader не может обратиться к данным соседних вершин, и как это ограничение обходят при skin animation?
• В чём принципиальная разница между fragment shader и compute shader для постобработки изображения?
• Если SPIR-V решает проблему вендорных компиляторов, почему 'shader compilation stutter' всё ещё существует в играх?

Связанные уроки

• arch-09-cache