1 着色器管线

第一个着色器是非常简单的程序，允许在光栅化阶段之前变换和照亮顶点。它们是用汇编语言编写的。现在着色器随处可见，从用户界面到物理和逻辑，因为它们与其他源代码没有任何不同。随着现代 GPU 的灵活性，着色器的数量每年都在增长。软件将越来越多的任务委托给 GPU，而不是 CPU。

现在编写着色器的方法并不多。它可以是 HLSL/GLSL/MSL/WGSL/CU/CL 方言。但大多数情况下，代码是相同的，但有一些细微的差别。创建可在所有可用硬件上运行的完美二进制着色器是不可能的。由于 GPU 具有不同的架构，因此不可能为每个人制定最佳的二进制格式。因此，使用中间二进制表示来简化应用程序运行时。驱动程序的工作是为输入中间着色器表示生成完美的二进制文件。

使用跨API技术，不同的API需要不同的着色器。此外，某些平台不允许在应用程序执行期间编译着色器，并且需要预编译着色器输入。对于 Vulkan，它是SPIR-V格式，它是 GLSL 着色器代码的二进制表示形式。该二进制着色器可以直接由 Vulkan 运行时加载，驱动程序会将其转换为硬件。OpenGL ARB_gl_spirv扩展允许将相同的 SPIR-V 二进制着色器直接加载到 OpenGL 运行时，并对样本和纹理进行少量修改。不幸的是，它只适用于 Nvidia。AMD 和 Intel 无法处理 SPIR-V 二进制文件中的几何和曲面细分着色器。

当相同的着色器需要在 Direct3D12、Metal 或 WebGPU API 上运行时，就会出现问题。SPIR-V 交叉工具通过将二进制着色器转换为 HLSL 或 MSL 格式，并具有许多用于资源绑定的调整参数，使之成为可能。这种转换在平台之间并不完全兼容，因此引擎必须知道如何最适合每个平台转换参数。之后，可以通过 d3dcomiler/dxcompiler/metal 工具集编译着色器源代码以获得所需的运行时间。

另一种选择是使用 HLSL 着色器作为输入，并将它们交叉编译为 Vulkan 的 SPIR-V 表示形式。但这也需要资源绑定魔法。每个平台都希望拥有自己的着色器语言，而该语言与其他平台不兼容。SPIR-V 是为每个人制定标准的伟大尝试。但只有 Vulkan API 可以使用它。其他平台需要不同的着色器语言或二进制格式。

不同着色器类型的数量也在增长。我们有顶点、片段、几何、控制、评估、计算、任务、网格、RayGen、RayMiss、Closest、AnyHit、Intersection 和 Callable 着色器类型。它们都有不同的输入和输出语义。幸运的是，Khronos 小组提供了验证和编译所有这些着色器的工具。我们尝试使用这些工具，但不幸的是，在它们的帮助下不可能交叉编译我们的计算、曲面细分和几何着色器。因此，我们基于 GLSL 和 SPIR-V 规范创建了自己的着色器管道。现在我们很高兴向您介绍更多相关信息。

我们在Tellusim 引擎中使用 GLSL 语言作为所有平台的主要语言。支持所有着色器类型，包括网格和光线跟踪。由于我们的着色器工具集具有高性能，因此我们可以跳过离线着色器编译步骤并在运行时完成所有操作。无论代码量如何，它都可以快速运行。对于不允许在运行时编译着色器的平台，我们使用预编译着色器缓存。

GravityMark GPU 基准测试需要超过 20K 行的 GLSL 着色器。当使用Khronos glslang 编译器进行 GLSL 到 SPIR-V 编译时，启动应用程序所需的时间存在巨大差异。

以下是使用 Khronos glslang 编译器构建的日志：

M：63.32 毫秒：创建 1600x900 Vulkan 窗口
M：1.493 s：创建场景管理器
M：9.346 秒：创建 RenderManager
M：12.431 秒：创建场景
M: 13.551 s: 创造 200,000 个小行星
M：13.701 s：更新场景
M：13.851 秒：GravityMark v1.2 在 13.9 秒内就绪

这是 Clay 着色器编译器，以 10 倍的速度完成相同的工作：

M：58.59 毫秒：创建 1600x900 Vulkan 窗口
M：288.47 毫秒：创建场景管理器
M：411.18 毫秒：创建渲染管理器
M：541.40 毫秒：创建场景
M：1.289 s：创造 200,000 个小行星
M：1.364 s：更新场景
M：1.500 秒：GravityMark v1.2 在 1.5 秒内就绪

着色器编译器之间的 FPS 没有差异。

从 SPIR-V 表示法到其他着色器语言的转换以同样令人难以置信的速度执行。此外，所有资源绑定都是由引擎自动处理的。所有受支持的平台（包括 Cuda 和 WebGPU）只需要一个 GLSL 着色器。这提供了极大的灵活性，并显着减少了开发新功能所需的时间。我们还使用受支持平台上的所有可用调试工具。

某些 GLSL 功能（例如嵌入式数组）不受支持，因为我们不需要它们。

您可以下载适用于 Windows 和 Linux 的最新 Clay 着色器编译器命令行工具，具有所有着色器语言后端（Vulkan SPIR-V、OpenGL SPIR-V、OpenGL GLSL、OpenGLES GLSL、Direct3D12 HLSL、Direct3D11 HLSL、WebGPU WGSL、Metal MSL 、Cuda 和 Hip）在这里：

• TellusimClayShader-20230423