shader_features.adoc

シェーダ機能

SPIR-V の全体が Vulkan 1.0で公開されなかった理由はさまざまです。少し経ってから Vulkan のワーキンググループは、SPIR-V の新機能を公開することに意味があるユースケースを特定しました。

以下の拡張機能の中には、SPIR-V の拡張機能と並行して追加されたものがあります。たとえば、VK_KHR_8bit_storage という拡張機能は、SPV_KHR_8bit_storage と並行して作成されました。 Vulkan 拡張機能は、アプリケーションが実装の SPIR-V 対応をクエリできるようにすることだけが目的です。SPIR-V 拡張機能は、SPIR-V の中間表現に加えられる変更を定義するためにあります。

SPIR-V 拡張機能の使用方法の詳細については、専用の Vulkan Guide の章をお読みください。

VK_KHR_spirv_1_4

Note	Vulkan 1.2でコアに昇格

この拡張機能は、Vulkan 1.1の実装が SPIR-V 1.4の機能セットを公開するために設計されています。Vulkan 1.1は SPIR-V 1.3を必要とし、実装が Vulkan 1.2にアップグレードしない場合でも SPIR-V 1.4の機能を提供したいという場合がありました。

VK_KHR_8bit_storage と VK_KHR_16bit_storage

Note	SPV_KHR_8bit_storage SPV_KHR_16bit_storage GLSL - GL_EXT_shader_16bit_storage は両方を定義しています。

VK_KHR_8bit_storage（Vulkan 1.2で昇格）と VK_KHR_16bit_storage（Vulkan 1.1で昇格）の両方が追加され、SPIR-V ストレージオブジェクトへの入力または出力として小さな値を使用できるようになりました。 これらの拡張機能の前は、すべての UBO、SSBO、およびプッシュ定数は少なくとも4バイトを消費する必要がありました。 これにより、アプリケーションはバッファから直接8ビットまたは16ビットの値を使用できるようになります。 また、この拡張機能はストレージインターフェイスのみを処理するため、通常は VK_KHR_shader_float16_int8 の使用とペアになります。

以下は、GLSL 拡張機能で SPV_KHR_8bit_storage を使用する例です。

#version 450

// 8ビットストレージがない場合、各ブロック変数は32ビット幅である必要がある
layout (set = 0, binding = 0) readonly buffer StorageBuffer {
    uint data; // 0x0000AABB
} ssbo;

void main() {
    uint a = ssbo.data & 0x0000FF00;
    uint b = ssbo.data & 0x000000FF;
}

拡張機能を使う場合

#version 450
#extension GL_EXT_shader_8bit_storage : enable

layout (set = 0, binding = 0) readonly buffer StorageBuffer {
    uint8_t dataA; // 0xAA
    uint8_t dataB; // 0xBB
} ssbo;

void main() {
    uint a = uint(ssbo.dataA);
    uint b = uint(ssbo.dataB);
}

VK_KHR_shader_float16_int8

Note	Vulkan 1.2でコアに昇格 GLSL - GL_EXT_shader_explicit_arithmetic_types

この拡張機能は、算術演算に8ビット整数型と16ビット浮動小数点型を使用できるようにします。シェーダの入出力インターフェイスで8ビット整数型や16ビット浮動小数点型を使用できるようにするわけではないため、一般的には VK_KHR_8bit_storage や VK_KHR_16bit_storage と組み合わせて使用されます。

VK_KHR_shader_float_controls

Note	Vulkan 1.2でコアに昇格 SPV_KHR_float_controls

この拡張機能では、浮動小数点数の丸めをどのように処理するかを設定することができます。VkPhysicalDeviceFloatControlsProperties では、クエリ可能な機能の全リストが表示されます。これは、OpenCL カーネルを Vulkan に変換する際に便利です。

VK_KHR_storage_buffer_storage_class

Note	Vulkan 1.1でコアに昇格 SPV_KHR_storage_buffer_storage_class

もともと SPIR-V は、UBO と SSBO の両方を「Uniform」ストレージクラスにまとめ、追加の修飾によってのみ区別していました。ハードウェアの中には、UBO と SSBO を2つの異なるストレージオブジェクトとして扱うものがあるため、SPIR-V はそれを反映させたいと考えました。この拡張機能は、SPIR-V を拡張して新しい StorageBuffer クラスを追加することを目的としています。

例として、次のような GLSL シェーダを挙げることができます。

layout(set = 0, binding = 0) buffer ssbo {
    int x;
};

Vulkan 1.0（SPIR-V 1.0が必要）をターゲットにして、glslang の --target-env vulkan1.0 を使うと、次のようになります。

    Decorate 7(ssbo) BufferBlock
8:  TypePointer Uniform 7(ssbo)
9:  8(ptr) Variable Uniform
12: TypePointer Uniform 6(int)

SPIR-V 1.3 には SPV_KHR_storage_buffer_storage_class が追加されたので、Vulkan 1.1 (SPIR-V 1.3 が必要) をターゲットにして、glslang の --target-env vulkan1.1 を使用すると、新しい StorageBuffer クラスが使用されます。

    Decorate 7(ssbo) Block
8:  TypePointer StorageBuffer 7(ssbo)
9:  8(ptr) Variable StorageBuffer
12: TypePointer StorageBuffer 6(int)

VK_KHR_variable_pointers

Note	Vulkan 1.1でコアに昇格 SPV_KHR_variable_pointers

SPIR-V では、「変数ポインタ」を以下のように定義しています。

Note	以下の命令のいずれかの結果として得られる論理ポインタ型のポインタです。OpSelect、OpPhi、OpFunctionCall、OpPtrAccessChain、OpLoad、または OpConstantNull 。

この拡張機能を有効にすると、呼び出しプライベートポインタを動的かつ非ユニフォームにすることができます。この拡張機能がない場合、変数ポインタは同じ構造体を指すポインタから選択されるか、または OpConstantNull でなければなりません。

この拡張機能には2つのレベルがあります。1つ目は variablePointersStorageBuffer 機能ビットで、SSBO の内でのみ変数ポインタをサポートする実装を可能にします。variablePointers 機能ビットでは、SSBO の外でも変数ポインタの使用が可能になります。

VK_KHR_vulkan_memory_model

Note	Vulkan 1.2でコアに昇格 Comparing the Vulkan SPIR-V memory model to C’s

Vulkan Memory Model は、複数のシェーダ呼び出しによる同じメモリロケーションへのメモリアクセスを同期させる方法を公式に定義しています。この拡張機能では、実装がその対応を示すためのブール値を公開しています。これは、Vulkan/SPIR-V をターゲットにした多くの製品では、アプリケーションによって最適化されたメモリ転送操作が実装間で壊れないようにするために重要です。

VK_EXT_shader_viewport_index_layer

Note	Vulkan 1.2でコアに昇格 SPV_EXT_shader_viewport_index_layer GLSL - GL_ARB_shader_viewport_layer_array

この拡張機能は、頂点シェーダやテッセレーションシェーダからのエクスポート用に、ViewportIndex と Layer ビルトインを追加します。

GLSL では、これらは gl_ViewportIndex と gl_Layer ビルトインによって表現されます。

Vulkan 1.1以下を使用する場合、ShaderViewportIndexLayerEXT SPIR-V 機能が使用されます。Vulkan 1.2 からは ShaderViewportIndexLayerEXT 機能は新しい ShaderViewportIndex と ShaderLayer 機能に分割されます。

VK_KHR_shader_draw_parameters

Note	Vulkan 1.1でコアに昇格 SPV_KHR_shader_draw_parameters GLSL - GL_ARB_shader_draw_parameters

この拡張機能は、頂点シェーダ用のビルトインの BaseInstance、BaseVertex、DrawIndex を追加します。これは、VertexId や InstanceId に、BaseVertex や BaseInstance のパラメータを含める場合と含めない場合の両方の使用例があるために追加されました。

GLSL では、これらは gl_BaseInstanceARB、gl_BaseVertexARB、gl_BaseInstanceARB というビルドインで表現されています。

VK_EXT_shader_stencil_export

Note	SPV_EXT_shader_stencil_export GLSL - GL_ARB_shader_stencil_export

この拡張機能により、シェーダが呼び出しごとにステンシルの参照値を生成できるようになります。ステンシルテストが有効な場合、これによりシェーダで生成された値に対してテストを行うことができます。

GLSL ではこれを out int gl_FragStencilRefARB というビルトインで表現しています。

VK_EXT_shader_demote_to_helper_invocation

Note	Vulkan 1.3でコアに昇格 SPV_EXT_demote_to_helper_invocation GLSL - GL_EXT_demote_to_helper_invocation

この拡張機能は、SPIR-V の HLSL discard 命令とのマッチングを助けるために、demote キーワードを追加して作成されました。フラグメントシェーダの呼び出しで demote を使用すると、ヘルパー呼び出しになります。この命令の後のメモリへのストアはすべて抑制され、フラグメントはフレームバッファへの出力を書き込みません。

VK_KHR_shader_clock

Note	SPV_KHR_shader_clock GLSL - GL_EXT_shader_realtime_clock

この拡張機能により、シェーダは実装が提供する単調増加するカウンタの値を読み取ることができます。これは、呼び出しが命令を実行する順序を追跡することによって、デバッグのために使用することができます。OpReadClockKHR を追加すると、デバッグしたいシェーダが変更されることに注意してください。これは、命令が存在しないかのような順序を表す一定レベルの精度があることを意味します。

VK_KHR_shader_non_semantic_info

Note	Vulkan 1.3でコアに昇格 SPV_KHR_non_semantic_info

この拡張機能は SPV_KHR_non_semantic_info を公開し、セマンティックな影響がなく、モジュールから安全に削除できる拡張命令セットを宣言する機能を追加します。

VK_KHR_shader_terminate_invocation

Note	Vulkan 1.3でコアに昇格 SPV_KHR_terminate_invocation

この拡張機能では、新しい命令 OpTerminateInvocation を追加して、OpKill 命令よりも明確な機能を提供します。

VK_KHR_workgroup_memory_explicit_layout

Note	SPV_KHR_workgroup_memory_explicit_layout GLSL - GL_EXT_shared_memory_block

この拡張機能は、シェーダが Workgroup Storage Class メモリのレイアウトを定義する方法を提供します。Workgroup 変数はブロックで宣言することができ、他のストレージクラスと同じ明示的なレイアウト修飾（例：Offset、ArrayStride）を使用します。

1つの使用例は、実際には異なるタイプ（たとえば scalar fp16）である共有メモリに対しても、バッファメモリからの大きなベクトルコピー（たとえば uvec4）を実行することです。

もう1つの使用例は、共有メモリを再利用し、次のようなものを使用して共有メモリの総消費量を削減することです。

pass1 - 型 A を使って共有メモリに書き込む
barrier()
pass2 - 型 A を使って共有メモリを読み込む
barrier()
pass3 - 型 B を使って共有メモリに書き込む
barrier()
pass4 - 型 B を使って共有メモリを読み込む

また、Vulkan の上に OpenCL を重ねるには、明示的なレイアウトのサポートと何らかのエイリアシングが必要です。

VK_KHR_zero_initialize_workgroup_memory

Note	Vulkan 1.3でコアに昇格

この拡張機能により、Workgroup Storage Class を持つ OpVariable で、Initializer オペランドを使用できるようになります。

セキュリティ上の理由から、信頼できないコンテンツ（Web ブラウザなど）を実行するアプリケーションは、ワークグループの実行開始時にワークグループのメモリをゼロ初期化できる必要があります。すべてのワークグループ変数をゼロに設定する命令を追加すると、アクセスパターンが悪くなるため、一部のハードウェアの能力よりも効率が悪くなります。