Thế giới lập trình đồ họa từ lâu đã bị chia thành hai hướng tiếp cận: các ngôn ngữ shader truyền thống như GLSL và HLSL cho công việc đồ họa, và các ngôn ngữ mạnh mẽ hơn như C++ cho tính toán tổng quát. Sự phân chia này đã tạo ra những khó khăn cho các nhà phát triển khi phải xoay xở với các cú pháp khác nhau, tính năng hạn chế và các codebase riêng biệt. Giờ đây, trình biên dịch Vcc hứa hẹn sẽ thu hẹp khoảng cách này bằng cách cho phép mã C++ tiêu chuẩn chạy trực tiếp như các shader Vulkan.
Vấn đề với các ngôn ngữ shader truyền thống
Các ngôn ngữ shader hiện tại mang theo gánh nặng từ những ngày đầu khi phần cứng đồ họa còn hạn chế hơn nhiều. GLSL và HLSL được thiết kế khi các chương trình shader còn đơn giản và nhỏ, dẫn đến những hạn chế về con trỏ, đệ quy và cấp phát bộ nhớ động. Những hạn chế này có ý nghĩa cách đây nhiều năm, nhưng lập trình đồ họa hiện đại đòi hỏi mã phức tạp hơn nhiều.
Cộng đồng đã trở nên bực bội với những ràng buộc này. Các nhà phát triển thường thấy mình phải viết lại logic bằng nhiều ngôn ngữ - một lần cho mã CPU và một lần nữa cho shader GPU. Sự trùng lặp này tạo ra lỗi, lãng phí thời gian và khiến việc debug trở nên khó khăn vì cùng một thuật toán có thể hoạt động khác nhau trên các nền tảng.
Những hạn chế hiện tại của ngôn ngữ Shader:
- Không hỗ trợ con trỏ trong GLSL/HLSL truyền thống
- Đệ quy bị cấm hoặc bị hạn chế nghiêm ngặt
- Không có cấp phát bộ nhớ động
- Hỗ trợ con trỏ hàm hạn chế
- Quy trình biên dịch và gỡ lỗi riêng biệt
Tại sao C++ cho shader lại hợp lý
Xu hướng hướng tới lập trình shader dựa trên C++ không chỉ là vấn đề tiện lợi. CUDA đã chứng minh rằng C++ có thể hoạt động xuất sắc cho lập trình GPU, hỗ trợ đầy đủ tiêu chuẩn C++20 trong khi đạt được hiệu suất hàng đầu. Điểm mấu chốt là học cách viết C++ hoạt động cùng với phần cứng GPU thay vì chống lại nó.
Một số nhà phát triển trong cộng đồng đã trải nghiệm những lợi ích này trực tiếp. Thư viện Mathematics của Unity thể hiện cách tiếp cận này một cách hoàn hảo - nó cung cấp các kiểu C# phản ánh chính xác các vector và ma trận tích hợp của HLSL. Điều này cho phép các nhà phát triển viết các hàm toán học một lần bằng C# và sao chép chúng trực tiếp vào các file HLSL mà không cần thay đổi gì.
Tôi thực sự chỉ copy-paste các đoạn mã CPU của mình thẳng vào file HLSL, hoàn toàn mong đợi nó sẽ báo một số lỗi cú pháp hoặc cần điều chỉnh. Nhưng không. Nó chạy hoàn hảo, không cần thay đổi gì.
Trải nghiệm phát triển tốt hơn thúc đẩy việc áp dụng
Ngoài các cân nhắc về hiệu suất, trải nghiệm phát triển đóng vai trò quan trọng trong xu hướng này. C++ cung cấp công cụ vượt trội so với các ngôn ngữ shader truyền thống - debugger tốt hơn, framework test, làm nổi bật cú pháp và hỗ trợ IDE. Khi làm việc trên các dự án đồ họa phức tạp, những công cụ này có thể tăng tốc đáng kể quá trình phát triển và giảm lỗi.
Khả năng debug logic shader trên CPU trước, sau đó chuyển sang GPU với những thay đổi tối thiểu, đại diện cho một cải tiến lớn trong quy trình làm việc. Các công cụ debug CPU trưởng thành hơn nhiều so với các lựa chọn thay thế trên GPU, khiến cách tiếp cận này đặc biệt có giá trị cho các thuật toán phức tạp như path tracing hoặc tính toán ánh sáng nâng cao.
Thách thức kỹ thuật và giải pháp
Trình biên dịch Vcc đối mặt với những trở ngại kỹ thuật đáng kể trong việc dịch C++ sang mã tương thích với shader. GPU hiện đại hỗ trợ các tính năng như địa chỉ thiết bị buffer cho các hoạt động giống con trỏ, nhưng những khả năng này không có sẵn trên tất cả các nền tảng. Đặc biệt, các thiết bị Android di động có thể tuyên bố hỗ trợ các tính năng Vulkan nâng cao trong khi thực tế lại có vấn đề với driver.
Trình biên dịch cũng phải xử lý luồng điều khiển một cách cẩn thận. Kiến trúc GPU hoạt động tốt nhất với luồng điều khiển có cấu trúc, nhưng tính linh hoạt của C++ có thể tạo ra các mẫu không ánh xạ tốt với mô hình thực thi GPU. Các tính năng như subgroup intrinsics yêu cầu xử lý đặc biệt mà các trình biên dịch C++ tiêu chuẩn không cung cấp.
Tình trạng hỗ trợ nền tảng:
- Địa chỉ thiết bị buffer: Hỗ trợ 97.89% trong Vulkan 1.2
- Mobile Android: Hỗ trợ driver hạn chế/không ổn định
- GPU desktop: Được hỗ trợ rộng rãi
- Subgroup intrinsics: Yêu cầu luồng điều khiển có cấu trúc chưa được triển khai
Động lực ngành công nghiệp đang tăng
Ngành công nghiệp đồ họa đang rõ ràng hướng tới các mô hình lập trình thống nhất. DirectX của Microsoft giờ đây hỗ trợ SPIR-V, và các ngôn ngữ mới như Slang (về cơ bản là HLSL++) đang thu hút sự chú ý. Ngay cả Metal Shading Language của Apple cũng sử dụng một tập con của C++. Trong khi đó, các ngôn ngữ shader truyền thống đang mất đà - Khronos thừa nhận rằng việc phát triển GLSL về cơ bản đã đình trệ, với hầu hết các công ty chuyển sang HLSL hoặc các lựa chọn thay thế mới hơn.
Sự hội tụ này có ý nghĩa từ cả góc độ kỹ thuật và kinh doanh. Các game engine và ứng dụng đồ họa thường được viết bằng C++, vì vậy việc sử dụng cùng một ngôn ngữ cho shader loại bỏ việc chuyển đổi ngữ cảnh và giảm đường cong học tập cho các nhà phát triển.
Trình biên dịch Vcc đại diện cho một bước quan trọng hướng tới việc làm cho lập trình GPU dễ tiếp cận và hiệu quả hơn. Mặc dù vẫn còn những thách thức xung quanh tính tương thích nền tảng và tối ưu hóa, cách tiếp cận cơ bản là coi shader như các ngôn ngữ chuyên biệt nhúng trong C++ dường như là tương lai của lập trình đồ họa.
Tham khảo: No More Shading Languages: Compiling C++ to Vulkan Shaders