Програмовані шейдери: коли «графіка» стала програмним забезпеченням

Поворотний момент: від фіксованої логіки до програмованої

Фіксовані GPU були як побутові прилади. Ви подавали їм вершини й текстури; вони застосовували відомий набір трансформацій, освітлення й блендингу.
Можна було обирати опції (туман увімк/вимк, кілька текстурних етапів, модель освітлення), але ви не могли переписати пайплайн. Та епоха давала певну
стабільність: якщо рендер виглядав неправильно, швидше за все, це була ваша математика або ваші ресурси, а не «програма».

Програмовані шейдери перетворили пайплайн на середовище виконання. Замість вибору з меню ви пишете програми — спочатку для вершин,
потім для фрагментів/пікселів, потім для геометрії, теселяції, compute, mesh-шейдерів і різних сучасних варіантів. GPU став масово паралельною
машиною, що виконує ваш код із обмеженнями, схожими на гібрид вбудованих систем і розподілених обчислень: різні вендори, різні компілятори,
тонка невизначена поведінка й обриви продуктивності, що можуть з’явитися або зникнути після оновлення драйвера.

Культурний зсув має таке ж значення, як і технічний. Коли шейдери стали кодом, «графіка» перестала бути виключно художньою проблемою пайплайну
і стала проблемою інженерної експлуатації. Тепер у вас є:

• Системи збірки, що компілюють шейдери (часто кілька разів для різних цілей).
• Кеші, що зберігають скомпільовані варіанти і можуть застаріти, пошкодитися або розростись.
• Шляхи рантайм-компіляції, що викликають підвисання, стагнацію або таймаути.
• Поводження, специфічне для вендора, і баги драйверів, які треба пом’якшувати без переписування всього світу.
• Бюджети продуктивності, що поводяться як SLO: одне пропущене цільове значення часу кадру — це видимий для користувача простій.

Операційна істина така: якщо ви не можете пояснити, куди йде ваш час кадру, ви не контролюєте продукт. Програмовані шейдери дають нам регулятори,
але також дають мотузку, щоб зробити макраме-гама́к і потім із нього впасти.

Пайплайн шейдерів, погляд як у SRE

Думайте про кожну стадію шейдера як про сервіс з бюджетом затримки

В продакшн-системах ви розподіляєте бюджети: CPU-час, I/O, пам’ять, глибина черги. У рендерингу ваш «запит» — це кадр, а SLO — стабільний
час кадру (наприклад, 16.6ms для 60Hz, 8.3ms для 120Hz). Кожна стадія пайплайну споживає бюджет: обробка вершин, растеризація, фрагментне шейдинг,
блендинг, пост-обробка, подання. Додавши програмовані стадії, ви додаєте сервіси з кодом, який можна часто змінювати — і кожна зміна може стати регресією.

Час кадру — це не одне число; це критичний шлях. Черга GPU може блокуватися через один довготривалий шейдер, надмірний overdraw, пропускну
здатність-погане завантаження або точки синхронізації (бар’єри, readback-и, очікування на фєнсах). «GPU-bound» — це відповідь, як «база даних повільна»:
технічно вірно, але експлуатаційно марно.

Шейдери — це скомпільовані артефакти з ризиком розгортання

Шейдери не виконуються як ваш вихідний код високого рівня. Вони компілюються в проміжні подання, а потім у машинний код. Залежно від API та платформи,
компіляція може бути:

• Позарандове (ahead-of-time), включена в збірку.
• На місці (JIT), компілюється під час інсталяції або першого використання.
• Гібридна, коли ви відправляєте проміжний формат (наприклад, SPIR-V), але драйвери все одно оптимізують і понижують його.

Кожна з цих моделей має свої операційні витрати. Позарандова компіляція переносить помилки в CI і зменшує рантайм-підвисання, але ускладнює збірку
і породжує безлад артефактів. JIT зменшує розмір збірки і може використати найкращий компілятор драйвера, але вводить підвисання при першому використанні
і робить помилки на машині клієнта, де у вас найменше видимості.

Пермутації шейдерів: проблема розподілених систем, якої ви не просили

Один «шейдер» рідко буває одинарною програмою. Реальні рушії генерують пермутації на основі:

• Функцій матеріалу (normal map, clear coat, subsurface, emissive тощо).
• Шляхів освітлення (forward vs deferred, якість тіней, кількість джерел світла).
• Можливостей платформи (precision, wave ops, формати текстур).
• Перемикачів рендер-пайплайну (MSAA, HDR, VR, варіанти temporal AA).

Помножте це — і отримаєте тисячі варіантів. Якщо ви не управляєте пермутаціями свідомо, часи компіляції ростуть, кеші штурхаються, і ви випустите збірку,
яка «добре працює на машинах розробників», але лагає у гравців, бо кеш шейдерів холодний. Це графічний еквівалент розгортання мікросервісної архітектури,
бо ви захотіли нову кнопку на домашній сторінці.

Цитата, яку варто тримати на стікері

Сподівання — це не стратегія. — General Gordon R. Sullivan

Шейдери винагороджують інженерію на основі сподівань: «компілятор це оптимізує», «драйвер це закешує», «мабуть, все ок». Так працює — до першої проблеми,
і тоді ваш канал інцидентів наповниться скриншотами розплавленого освітлення та графіками часу кадру у формі гір.

Цікаві факти та історичний контекст (коротко, конкретно)

1. Фіксована логіка протрималась довше, ніж пам’ятають. Ранні споживчі GPU пропонували пайплайн, який можна було налаштувати, але не переписати; креативність полягала в обходах обмежень.
2. Програмовані вершинні шейдери з’явились раніше за програмовані піксельні. Transform and lighting були першим великим «програмованим» здобутком, бо відповідали сильним сторонам апаратури.
3. Ранні піксельні шейдери сильно обмежувалися. Ліміти на кількість інструкцій і регістрів були жорсткими; ви вчилися рахувати операції так само, як інженери зберігання рахують IOPS.
4. Мови шейдерів були не лише зручністю. Вони давали портативність і інструменти — відхід від вендор-специфічної асемблерної мови до формату, який компілятори могли аналізувати.
5. Архітектури «уніфікованих шейдерів» змінили планування. Коли GPU перейшли від окремих vertex/pixel-одиниць до уніфікованих ядер, продуктивність перестала бути простою історією «vertex vs pixel bound».
6. Compute-шейдери розмили межу між графікою та GPGPU. Маєте загальний compute-етап — і ви починаєте робити culling, фізичні приближення та пост-ефекти як обчислювальні навантаження.
7. Компіляція шейдерів перемістилась у стек драйвера. Це зробило оновлення драйвера змінною продуктивності, тобто ваш билд може стати повільнішим без змін у коді.
8. Проміжні подання стали стратегією. Відправка чогось на кшталт SPIR-V прагне стандартизувати вхідні дані, але драйвери все одно мають останнє слово над фінальним машинним кодом.
9. Сучасні пайплайни додають нові програмовані стадії. Теселяція, mesh-шейдери, шейдери трасування променів — кожна додає потужність і нові режими відмов.

Що ламається в реальному житті: передбачувані режими відмов

1) Підвисання через компіляцію, що маскується під «лаг мережі»

Класика: гравець повертає за кут, бачить новий ефект, і гра лагає. Звинувачують мережу. Сервери. Хтось пише тікет на матчмейкінг. Насправді ж проблема в тому,
що варіант шейдера скомпілювався при першому використанні на клієнті. Якщо ви не прогріваєте кеші або не відправляєте скомпільовані артефакти, ви
делегуєте затримку на найгірший момент: коли користувач активно взаємодіє.

2) Вибух пермутацій, що тихо DoS-ить вашу збірку і кеш

Фішки матеріалів звичні: ще один define, ще одна гілка, ще один перемикач якості. Ви «тільки додасте» — поки не отримаєте десятки тисяч варіантів.
Тоді CI-часи подвоюються, художники перестають ітерувати через повільні збірки, а рантайм-кеш перетворюється на звалище. Пермутації не безкоштовні; це
проблема планування потужностей.

3) Баги точності: «працює на моєму GPU» з математикою на грані

Різні GPU і драйвери відрізняються у поводженні з плаваючою комою, обробкою денормів, злитими операціями та дефолтною точністю. Якщо шейдер покладається
на граничну числову поведінку — особливо в half precision — ви можете отримати banding, мерехтіння, NaN-и або повністю чорні кадри на підмножині апаратури.

4) Overdraw і пропускна здатність: тихі вбивці

ALU шейдера привертає всю увагу, бо виглядає як «код». Але багато реальних вузьких місць — це пропускна здатність (зчитування текстур, запис у render target) та overdraw
(шейдинг пікселів, що будуть перезаписані). Ви можете написати наймилішу BRDF і все одно програти повноекранному проходу, який читає чотири текстури на 4K і записує
два HDR таргети. Ваш GPU — не філософ; він навантажувач.

5) Помилки синхронізації: GPU-бабли, які ви створили самі

Бар’єри, переходи ресурсів і readback-и можуть серіалізувати роботу. Результат — GPU «зайнятий», але непродуктивний. Це рендеринговий еквівалент
робочого навантаження зберігання, яке проводить півчасу в очікуванні flush-ів, бо хтось поставив fsync у гарячому циклі.

6) Регресії компілятора драйвера: ваш стабільний код, їхній змінний бекенд

Драйвери змінюються. Компілятори шейдерів змінюються. Той самий високорівневий шейдер може скомпілюватися у різний машинний код після оновлення.
Іноді швидше. Іноді повільніше. Іноді — некоректно. Ось чому розгортання шейдерів потребує спостережуваності та захисних механізмів, а не відчуттів.

Жарт №1: Компілятор шейдерів схожий на кота — якщо йому подобається ваш код, він все одно скине щось зі столу, щоб подивитися на вашу реакцію.

План швидкої діагностики (що перевірити першим/другим/третім)

Перше: визначте, чи ви CPU-bound, GPU-bound або sync-bound

• Перевірте завантаження GPU і частоти. Високе завантаження GPU з стабільними частотами свідчить про GPU-bound; низьке завантаження з підвисаннями — про sync або голодування CPU.
• Перевірте розбивку часу кадру. Якщо CPU-час кадру низький, але GPU-час високий — ви GPU-bound. Якщо обидва стрибнуть — шукайте стаґнації та синхронізацію.
• Шукайте періодичні сплески. Регулярні сплески (кожні кілька секунд) часто вказують на компіляцію шейдерів, стрімінг ресурсів або збір сміття.

Друге: класифікуйте вузьке місце GPU

• ALU-bound: важка математика, складне освітлення, багато інструкцій, дивергентні гілки.
• Texture/bandwidth-bound: багато зчитувань текстур, пропуски кешу, великі render target-и, високі роздільності проходів.
• Overdraw-bound: багато прозорих шарів, частинки, повноекранні ефекти, шейдинг пікселів кілька разів.
• Fixed-function bottleneck: растеризація, блендинг, MSAA resolve-и, складність глибини, насичення ROP.

Третє: ізолюйте проблемний пас або матеріал

• Захопіть фрейм GPU і відсортуйте draw-и за вартістю (час або сэмпли).
• Систематично відключайте паси: тіні, SSAO, bloom, віддзеркалення, вольюметри.
• Примусіть «плоский» матеріал, щоб зрозуміти, чи проблема в контенті (матеріали) чи в пайплайні (пост, освітлення, resolve-и).

Четверте: підтвердіть поведінку компіляції і кешування

• Перевірте хіт-рейт кеша шейдерів (логи рушія, директорії кеша драйвера, статистику pipeline cache).
• Шукайте події рантайм-компіляції при першому використанні.
• Переконайтеся, що ваш pipeline cache версіонується правильно і не інвалідовується при кожній збірці.

П’яте: регресії та безпека розгортання

• Бісектуйте зміни шейдерів по коміту або по фіч-флагу.
• Валідуйте на кількох вендорах і версіях драйверів.
• Розгортайте з захисними механізмами: перемикачі, безпечні режими та телеметрія.

Практичні завдання: команди, висновки та рішення (12+)

Це типові команди, які ви виконуєте під час налагодження продуктивності й стабільності, пов’язаної з шейдерами, на Linux-робочих станціях або тестових стендах.
Мета не в тому, щоб прикидатися інженером драйверів. Мета — швидко прийняти рішення: CPU чи GPU, компіляція чи рантайм, здоров’я кеша й куди інструментувати далі.

Завдання 1: Визначити GPU і драйвер, що використовується

cr0x@server:~$ lspci -nn | grep -E "VGA|3D"
01:00.0 VGA compatible controller [0300]: NVIDIA Corporation GA104 [GeForce RTX 3070] [10de:2484] (rev a1)

Що це означає: Ви знаєте вендора/пристрій. Це перший ключ для «тільки на деяких машинах».

Рішення: Відтворіть проблему хоча б на одному іншому вендорі, якщо можливо; не довіряйте одній сімейству GPU як репрезентативу для «PC».

Завдання 2: Підтвердити завантажений модуль драйвера ядра

cr0x@server:~$ lsmod | grep -E "amdgpu|i915|nvidia"
nvidia_drm             73728  4
nvidia_modeset       1236992  8 nvidia_drm
nvidia              59387904  457 nvidia_modeset

Що це означає: Драйверний стек активний; корисно підтвердити, що ви не працюєте на fallback.

Рішення: Якщо ви очікуєте інший драйвер (наприклад, amdgpu) і бачите інший або жодного — зупиніться: ваші тестові дані некоректні.

Завдання 3: Перевірити OpenGL renderer і версію (проста перевірка)

cr0x@server:~$ glxinfo -B | sed -n '1,20p'
name of display: :0
display: :0  screen: 0
direct rendering: Yes
Extended renderer info (GLX_MESA_query_renderer):
    Vendor: NVIDIA Corporation (0x10de)
    Device: NVIDIA GeForce RTX 3070/PCIe/SSE2 (0x2484)
    Version: 535.154.05
OpenGL vendor string: NVIDIA Corporation
OpenGL renderer string: NVIDIA GeForce RTX 3070/PCIe/SSE2
OpenGL core profile version string: 4.6.0 NVIDIA 535.154.05

Що це означає: Підтверджує direct rendering і версію user-space драйвера. Якщо це невірно — усе інше пуста звітність.

Рішення: Запишіть це у шаблон звіту про баг. Якщо ви не можете відтворити з тією самою renderer string — вважайте це іншим інцидентом.

Завдання 4: Перевірити Vulkan-пристрій і драйвер (якщо двигун використовує Vulkan)

cr0x@server:~$ vulkaninfo --summary | sed -n '1,80p'
Vulkan Instance Version: 1.3.280

Devices:
========
GPU0:
    apiVersion         = 1.3.280
    driverVersion      = 535.154.5
    vendorID           = 0x10de
    deviceID           = 0x2484
    deviceType         = DISCRETE_GPU
    deviceName         = NVIDIA GeForce RTX 3070

Що це означає: Підтверджує шлях Vulkan і версію драйвера; критично для поведінки pipeline cache і SPIR-V toolchain-ів.

Рішення: Якщо регресія корелює зі зміною driverVersion, відтворіть на старішому/новішому драйвері перед переписуванням шейдерів.

Завдання 5: Слідкувати за завантаженням GPU в реальному часі (чи він справді завантажений?)

cr0x@server:~$ nvidia-smi dmon -s u -d 1
# gpu   sm   mem   enc   dec   mclk   pclk
# Idx    %     %     %     %    MHz    MHz
    0   97    61     0     0   7001   1905
    0   98    62     0     0   7001   1905

Що це означає: Високий SM% вказує на інтенсивний шейдер/compute. Високий mem% — тиск на пропускну здатність.

Рішення: Якщо SM% низький, але час кадру високий — підозрюйте sync stalls, вузьке місце CPU або очікування драйвера.

Завдання 6: Визначити, який процес використовує GPU

cr0x@server:~$ nvidia-smi --query-compute-apps=pid,process_name,used_gpu_memory --format=csv
pid, process_name, used_gpu_memory [MiB]
23144, game-client, 6123

Що це означає: Підтверджує, що вимірюється правильний бінарник; допомагає уникнути «ой, ми вимірюємо лаунчер» помилок.

Рішення: Якщо кілька процесів конкурують, ізолюйте: показники продуктивності не порівнювані в умовах конкуренції.

Завдання 7: Переглянути директорії кеша шейдерів (розмір і частота змін)

cr0x@server:~$ du -sh ~/.cache/*shader* 2>/dev/null | sort -h
128M	/home/cr0x/.cache/nvidia/GLCache
1.9G	/home/cr0x/.cache/mesa_shader_cache

Що це означає: Великі кеші можуть бути нормою, але раптове зростання після патчу вказує на блоут пермутацій або інвалідизацію.

Рішення: Якщо кеш зростає драматично після кожної збірки, версіонуйте pipeline cache правильно і зменшіть пермутації.

Завдання 8: Перевірити, чи ваш додаток перекомпілює шейдери під час виконання (grep логів)

cr0x@server:~$ grep -E "Compiling shader|Pipeline cache miss|PSO compile" -n /var/log/game-client.log | tail -n 8
18422 Compiling shader variant: Material=Water, Perm=HDR+SSR+Foam
18423 PSO compile: vkCreateGraphicsPipelines took 47 ms
18424 Pipeline cache miss: key=0x6f2a...

Що це означає: Є докази рантайм-компіляції і дорогої створення pipeline. Ті 47ms — це підвисання, яке відчутне.

Рішення: Додайте кроки попередньої компіляції/прогріву для відомих гарячих пермутацій; уникайте створення pipeline на рендер-треді під час геймплею.

Завдання 9: Моніторити частоту CPU і троттлінг (підвисання, що виглядає як проблема GPU)

cr0x@server:~$ sudo turbostat --Summary --quiet --interval 1 | head -n 5
Avg_MHz	Busy%	Bzy_MHz	TSC_MHz	IRQ
4120	38.5	4710	2800	21430
1180	12.1	2870	2800	9050

Що це означає: Якщо Avg_MHz падає під час підвисань, «регресія GPU» може бути проблемою енергоменеджменту CPU або термальних обмежень.

Рішення: Повторіть тест з performance governor, перевірте охолодження і виключіть тротлінг CPU з експерименту.

Завдання 10: Перевірити режим подання / вплив композитора (проблеми кадрування)

cr0x@server:~$ echo $XDG_SESSION_TYPE
wayland

Що це означає: Різниця Wayland/X11 може змінювати кадрування та поведінку інструментів захоплення.

Рішення: Якщо кадрування нестабільне лише під композитором, тестуйте в повноекранній сесії або в іншому типі сесії.

Завдання 11: Відстежувати тиск пам’яті GPU (виштовхування викликає сплески)

cr0x@server:~$ nvidia-smi --query-gpu=memory.total,memory.used,memory.free --format=csv
memory.total [MiB], memory.used [MiB], memory.free [MiB]
8192 MiB, 7940 MiB, 252 MiB

Що це означає: Ви біля краю. Коли VRAM напружений, драйвер може сторінити або виштовхувати ресурси, що викликає підвисання і непередбачувані затрати.

Рішення: Зменшіть розміри render target-ів, обріжте residency текстур, скоротіть пермутації-перегрузи або втіліть ліміти стрімінгу.

Завдання 12: Підтвердити, що рушій використовує очікуваний бекенд шейдерів (перевірка конфігу)

cr0x@server:~$ grep -E "rhi=|renderer=|shader_backend=" -n /etc/game-client.conf
12 renderer=vulkan
13 shader_backend=spirv

Що це означає: Невідповідний бекенд (fallback OpenGL, інший шлях компілятора) змінює продуктивність і коректність.

Рішення: Якщо баг трапляється лише на одному бекенді — ви звузили область пошуку і можете випустити таргетовану пом’якшувальну міру.

Завдання 13: Виміряти CPU-час процесу і перемикання контексту (підказка sync-bound)

cr0x@server:~$ pidstat -w -p $(pgrep -n game-client) 1 3
Linux 6.5.0 (server) 	01/13/2026 	_x86_64_	(16 CPU)

12:14:01      UID       PID   cswch/s nvcswch/s  Command
12:14:02     1000     23144   1250.00    210.00  game-client
12:14:03     1000     23144   1180.00    190.00  game-client

Що це означає: Високі involuntary context switches можуть вказувати на контенцію, блокування або синхронізацію драйвера.

Рішення: Якщо nvcswch/s стрибає під час підвисань кадрів — інспектуйте точки синхронізації і фонові потоки компіляції.

Завдання 14: Виявляти крахи, пов’язані з шейдерами, через логи ядра (reset/підвіс GPU)

cr0x@server:~$ sudo dmesg -T | tail -n 12
[Mon Jan 13 12:22:09 2026] NVRM: Xid (PCI:0000:01:00): 13, Graphics Exception: Shader Program Error
[Mon Jan 13 12:22:09 2026] NVRM: Xid (PCI:0000:01:00): 31, Ch 0000007b, engmask 00000101, intr 10000000

Що це означає: GPU повідомив про помилку, сумісну з проблемою шейдера/програми або багом драйвера. Це не «просто краш».

Рішення: Відтворіть з validation layers/ debug-збірками і спростіть шейдер; також протестуйте інші версії драйвера.

Завдання 15: Порівняти кількість шейдерних артефактів між збірками (контроль пермутацій)

cr0x@server:~$ find /opt/game/shaders/ -type f -name "*.spv" | wc -l
18422

Що це означає: Стрибок у кількості між збірками — сильний індикатор вибуху пермутацій.

Рішення: Блокуйте злиття, що збільшує кількість шейдерних артефактів понад поріг; вимагайте виправдання і perf-тест.

Три корпоративні міні-історії зі світу «в мене працює на моєму GPU»

Міні-історія 1: Інцидент через хибне припущення

Середня команда продукту випустила новий «преміумний» пас освітлення. Керувався він простим перемикачем: High/Ultra вмикає його, Medium вимикає.
QA погодив перемикач. Продуктивність виглядала прийнятно. Всі перейшли до інших справ.

Інцидент почався в понеділок після того, як рутинне оновлення драйвера розкатилось на корпоративні машини. Підтримка наповнилась скаргами:
«Рандомні чорні екрани після alt-tab», «UI мерехтить», «тільки на ноутбуках», «тільки іноді». Інженери виконували знайомий танок — перевстановлення, очищення кешів,
звинувачення Windows, композитора, фази місяця.

Хибне припущення: вони вірили «якщо скомпілювалося, то працює». Насправді новий пас включав варіант шейдера, що скомпілювався успішно, але викликав
невизначену поведінку в конкретній комбінації драйвера/компілятора при вмиканні рідко використовуваного define (виникало лише коли UI overlay був активним і HDR увімкнений).
Вони не тестували цю пермутацію, бо вона не входила до «стандартних» сцен тестування.

Виправлення було не гламурним. Вони створили матрицю пермутацій для покриття тестами, додали рантайм-перевірки валідності (NaN-guards у debug) і збудували невеликий
набір «дивних, але реальних» сцен, що вмикають оверлеї, незвичні масштабування роздільності та комбінації HDR. Також додали аварійний клапан: якщо пас не проходить
валідність або багаторазово викликає помилки GPU, він авто-вимикається і логує fingerprint.

Урок: компіляція — це допуск до будівлі, але не доказ того, що ви не підпалите кухню.

Міні-історія 2: Оптимізація, що відплатилася

Інша команда переслідувала стрибок витрат GPU у сцені з великою кількістю листя. Профілювання показало, що фрагментний шейдер дорогий, і старший інженер запропонував
оптимізацію: упакувати кілька параметрів матеріалу в менше текстур і використовувати half precision математику. Менше пропускної здатності, менше регістрів, швидший шейдинг.
На папері — зміна, про яку можна хвалитися.

Зміна була випущена за прапором і виглядала чудово на флагманських GPU розробників. Час кадру покращився помірно. Потім це дійшло до ширшого набору машин і почались дивності:
мерехтливі хайлайти, нестабільне temporal AA, іноді чорні пікселі в русі. Продуктивність також погіршилась на деяких AMD-частинах.

Відплата була подвійною. По-перше, half precision знизила числову стійкість у їхньому шляху реконструкції. Значення, що були «достатньо близькі», стали «досить близькі, щоб зламати TAA history».
По-друге, схема упаковки збільшила дивергенцію доступів до текстур: більше залежних читань, менш кеш-дружні патерни доступу і вищі затримки на окремих архітектурах. Шейдер став «меншим», але менш когерентним.

Вони відкочували зміни, потім повторно вводили їх з обмеженнями: зберігати full precision у критичних шляхах для temporal reprojection; використовувати half precision лише у менш чутливих частинах; валідувати продуктивність по вендорам.
Також додали тест візуальної коректності, який порівнює кадри по детермінованому шляху камери, бо суб’єктивне «виглядає нормально» — це не тест.

Урок: оптимізація шейдерів — як тюнінг індексу бази даних: можна сильно виграти, але й випадково оптимізувати під бенчмарк і покарати реальні умови.

Міні-історія 3: Нудна, але правильна практика, що врятувала день

Команда платформи мала політику, що здавалася болісно консервативною: кожна зміна шейдера мала включати невеликий мета-файл, який описував очікуваний вплив на кількість пермутацій,
і кожна збірка виробляла дифабельний маніфест шейдерних артефактів. Люди нарікали. Здавалось бюрократією.

Одного релізного циклу, ніби нешкідлива фіча додала нове ключове слово матеріалу. Художники почали використовувати його скрізь, бо воно робило вигляд краще.
Ключ взаємодіяв з трьома іншими перемикачами, і кількість пермутацій тихо помножилась. Часи збірки почали повільно повзти вгору. Звіти про рантайм-статичні підвисання
почали з’являтися, але досить повільно, щоб ніхто не мав одного моменту «все зламалось».

Схожа, але нудна практика спрацювала: маніфест шейдерів показав значне збільшення кількості скомпільованих варіантів, пов’язаних з тим ключовим словом. Оскільки це було відстежено
як артефакт першого класу, команда платформи могла вказати на цифри без дискусій про відчуття. Вони призупинили rollout, рефакторнули ключ у рантайм-гілку, де він безпечний,
і ввели політику рівнів фіч: якщо ключ створює надто багато варіантів — його треба обмежити до певних матеріалів або перемістити за рівень якості.

Це запобігло масштабнішому інциденту: остання хвилина маркетингової сцени могла б змусити холодну компіляцію тисяч варіантів при першому запуску. Натомість збірка
вийшла з контрольованими пермутаціями і прогрітими кешами для відомого демо-шляху. Ніхто поза інженерами нічого не помітив — значить, це був успіх.

Жарт №2: Найнадійніший шейдер — той, якого не існує, і це також мій підхід до зустрічей.

Поширені помилки: симптом → корінна причина → виправлення

Підвисання при першому зіткненні з ефектом

Симптом: Сплески часу кадру при появі нового матеріалу/ефекту; потім плавно.

Корінна причина: Рантайм-компіляція шейдера або створення pipeline (холодний кеш), часто на рендер-треді.

Виправлення: Попередньо компілюйте відомі пермутації; прогрівайте кеш під час завантаження; переносіть створення pipeline в async-компіляцію з fallback-ом; відправляйте версійовані pipeline cache.

Регресія продуктивності лише на одному вендорі GPU

Симптом: NVIDIA добре, AMD катастрофа (або навпаки) після зміни шейдера.

Корінна причина: Чутливість до архітектури: дивергентні гілки, тиск на регістри, патерни доступу до текстур або регрес компілятора драйвера.

Виправлення: Профілюйте по вендорах; зменшуйте дивергенцію; спрощуйте залежні читання текстур; пробуйте альтернативні форми коду; тримайте вендор-специфічні обхідні шляхи лише коли виміряно ефект.

Випадкове мерехтіння або «іскри» пікселів в русі

Симптом: Темпоральна нестабільність, «fireflies», або мерехтіння при русі камери.

Корінна причина: Проблеми точності (half floats), NaN/Inf, нестабільні нормалі або недетермінована математика, що живить темпоральні фільтри.

Виправлення: Додайте NaN-клампи в debug; тримайте критичні шляхи у full precision; стабілізуйте входи (безпечно нормалізуйте); перевірте ділення та корені; додайте epsilon там, де потрібно.

Бандинг у градієнтах або освітленні

Симптом: Гладкі градієнти стають ступеневими, особливо в тумані, небі або темних ділянках.

Корінна причина: Низька точність зберігання або математики (8-bit буфери, half precision) або відсутність дезерінгу.

Виправлення: Використовуйте формати вищої точності там, де потрібно; застосовуйте дезерінг; уникайте квантовання проміжного освітлення занадто рано.

Низьке завантаження GPU, але високий час кадру

Симптом: GPU виглядає недовантаженим, але кадри повільні або нестабільні.

Корінна причина: Sync stalls: очікування fence-ів, readback-и, серіалізація через бар’єри або CPU не встигає годувати GPU.

Виправлення: Видаліть readback-и з гарячих шляхів; використовуйте подвійну/тройну буферизацію; переносіть роботу з головного потоку; зменшуйте зайві бар’єри; вимірюйте часи подачі черг і очікувань.

Прозорі частинки несподівано руйнують продуктивність

Симптом: Сплески часу кадру з димом, UI або сценами з великою кількістю частинок.

Корінна причина: Overdraw і дорогі фрагментні шейдери; блендинг заважає раннім оптимізаціям Z.

Виправлення: Зменшіть кількість шарів частинок; сортуйте і батчуйте; використовуйте дешевші шейдери для далеких частинок; додайте depth pre-pass або наближений depth; розгляньте masked замість blended, де це прийнятно.

Часи збірки вибухають після «ще однієї фічі»

Симптом: Час компіляції шейдерів в CI зріс з хвилин до «поїдь пообідати».

Корінна причина: Вибух пермутацій через комбінації фіч і ключових слів матеріалу.

Виправлення: Відстежуйте кількість пермутацій; обмежуйте ключі; консолідуйте фічі; переносіть деякі перемикачі в рантайм-гілки; попередньо компілюйте спільний код; вимагайте perf/compile-виправдання для нових define.

Краш або reset GPU у конкретних сценах

Симптом: Reset драйвера, втрата пристрою або записи в лог ядра, що посилаються на помилки шейдера.

Корінна причина: Неправильний доступ до ресурсів, невизначена поведінка, занадто довгі шейдери, що тригерять watchdog, або баг драйвера, який вразився конкретним патерном коду.

Виправлення: Використовуйте validation layers; спростіть шейдер; уникайте виходу за межі індексів; зменшіть складність циклів; додайте надійні перевірки меж; тестуйте альтернативні драйвери і вимикайте фіч як пом’якшення.

Чеклісти / поетапний план надійної доставки шейдерів

1) Ставтесь до шейдерів як до коду з CI-гейтами

1. Компіліруйте в CI для всіх цілей, які ви доставляєте. Фейліть збірки через ті попередження, що ви розумієте, а не ті, що ігноруєте.
2. Експортуйте маніфест шейдерних артефактів. Рахуйте варіанти, розміри і хеші; дифуйте це при кожному коміті.
3. Відстежуйте час компіляції як метрику. Якщо він росте — це технічний борг з відсотками.
4. Запускайте невеликий детермінований тест рендерингу. Фіксований шлях камери, фіксований seed, захопіть кадри; порівнюйте з базовими для великих відхилень.

2) Контролюйте пермутації свідомо

1. Кожен define має виправдовувати себе. Якщо фіча створює багато варіантів — перенесіть її в рантайм-гілку або обмежте рівнями.
2. Відокремлюйте «зручність художника» від «реальності рантайму». Гнучкість авторингу — це добре; доставити 20k варіантів — ні.
3. Версіонуйте ключі кеша правильно. Зміни в codegen шейдерів, опціях компілятора або стані рендеру повинні чисто інвалідовувати старі кеші, а не випадково.

3) Прогрівайте те, що важливо, а не усе підряд

1. Визначте гарячі шляхи. Титульний екран, перший матч, поширені ефекти зброї, поширений пост-ланцюжок.
2. Попередньо компілюйте або створюйте pipeline для цих шляхів. Робіть це під час завантаження або як фонову роботу з індикатором прогресу.
3. Не блокуйте рендер-тред під час компіляції. Якщо треба — використовуйте дешевий fallback-шейдер і підміняйте його, коли готово.

4) Спостережуваність: робіть шейдерні проблеми вимірюваними

1. Логуйте події компіляції pipeline з тривалостями. Вважайте >5ms підозрілим, >20ms — інцидентним для інтерактивних сцен.
2. Фіксуйте fingerprint GPU/драйвера. Вендор, device ID, версія драйвера, API бекенд і ключові перемикачі.
3. Захоплюйте гістограми часу кадру, а не лише середні. Користувачі відчувають p99-сплески, а не ваш середній FPS.
4. Тримайте фіч-флаги для ризикових пасів. Якщо з’явиться регресія драйвера — потрібен аварійний вимикач без нової збірки.

5) Операційна дисципліна проти хаосу драйверів

1. Підтримуйте невелику матрицю сумісності. Мінімум два вендори, принаймні один старіший драйвер і один останній драйвер.
2. Документуйте відомо-погані версії драйверів. Не як фольклор — підкріплюйте телеметрією і відтворюваними сценами.
3. Надавайте перевагу стабільним формам коду над хитрими трюками. Компілятор GPU потужний, але він не ваш напарник по команді.

FAQ

1) Що саме таке програмований шейдер?

Невелика програма, що виконується на GPU як частина рендерингу (або compute). Замість фіксованої логіки освітлення і текстурування ви визначаєте, як трансформуються вершини
і як зашиваються пікселі, часто з доступом до текстур і буферів.

2) Чому програмовані шейдери змінили інженерію продакшну?

Бо вони внесли компіляцію, кешування та специфічну для платформи поведінку в шлях рендерингу. Тепер ви розгортаєте код, що проходить через тулчейни вендорів, яких ви не контролюєте,
з ризиками затримки й коректності, що виявляються в рантаймі.

3) Вершинний vs фрагментний шейдер: яка операційна різниця?

Вершинні шейдери масштабуються з кількістю вершин; фрагментні — з кількістю пікселів (і overdraw). Якщо проблема з’являється на високій роздільності або при великій прозорості,
підозрюйте фрагментну вартість. Якщо на щільній геометрії незалежно від роздільності — підозрюйте вершини або обробку геометрії.

4) Чому шейдери підвисають при першому появленні ефекту?

Бо щось скомпілювалося або створився Pipeline State Object на запит. Перше зіткнення тригерить компіляцію, і ви платите за це у критичному шляху. Виправлення — прогрів, кешування або перенос компіляції з рендер-треда з fallback-ми.

5) Чи відправка SPIR-V (або іншого проміжного) те саме, що відправка «скомпільованих шейдерів»?

Не зовсім. Проміжний формат може зменшити варіабельність і покращити інструменти, але драйвери все одно часто компілюють/оптимізують у фінальний машинний код. Вам усе ще потрібно
керувати витратами на створення pipeline і поведінкою кешу.

6) Як з’ясувати, чи я bandwidth-bound або ALU-bound?

Використовуйте профайлери GPU і лічильники, коли доступні, але можна зробити дешеві експерименти: зменшіть роздільність (витрати, що залежать від bandwidth/fragment повинні впасти),
зменшіть зчитування текстур або спростіть математику. Якщо масштабування роздільності мало міняє продуктивність — можливо, ви vertex/CPU/sync-bound.

7) Чи «безгілкові» шейдери завжди працюють швидше?

Ні. Видалення гілок може збільшити кількість інструкцій і тиск на регістри, що зменшить occupancy і нашкодить продуктивності. Правильний вибір залежить від архітектури і має вимірюватися на репрезентативних GPU.

8) Чи завжди варто використовувати half precision заради швидкості?

Лише там, де це безпечно. Half precision може бути корисною для деяких проміжних значень, але також може ввести нестабільність в освітленні та темпоральні системи.
Використовуйте її вибірково, а не як універсальне правило, і тестуйте як продуктивність, так і коректність.

9) Яка найпоширеніша помилка розгортання шейдерів у компаніях?

Ставлення до змін шейдерів як до «контент-оновлень» замість деплоїв коду: відсутність CI-гейтів, дифів маніфестів, дисципліни версіонування кешів і відсутність телеметрії подій рантайм-компіляції.

10) Якщо драйвери можуть змінювати продуктивність, чи марна оптимізація?

Оптимізація все ще важлива, але її треба прив’язувати до вимірювань і захищати регресіями. Також стабільні форми коду та передбачувані патерни доступу зазвичай переживуть варіабельність драйверів краще, ніж «хитрі» трюки.

Практичні наступні кроки

Якщо ви відповідаєте за рендеринговий стек у продакшні — гра, візуалізація, UI або будь-що GPU-інтенсивне — ставтесь до шейдерів як до критичного коду.
Не тому, що це інтелектуально приємно, а тому, що це зменшує інциденти.

1. Додайте маніфест шейдерних артефактів у збірку. Рахуйте варіанти і робіть диф при кожній зміні. Виявляйте вибухи пермутацій рано.
2. Інструментуйте рантайм-компіляцію та створення pipeline. Логуйте тривалість, стадію і ключ шейдера; алертуйте про сплески p95/p99 часу кадру після релізів.
3. Встановіть план «прогріву» гарячих шляхів. Визначте перші 5 хвилин звичної поведінки користувача і переконайтесь, що потрібні шейдери/pipeline готові.
4. Побудуйте мінімальну матрицю сумісності. Кілька вендорів, кілька версій драйверів і детермінована тест-сцена, яку важко «обдурити».
5. Створіть вимикачі для ризикових пасів. Якщо з’явиться регресія драйвера — вам потрібне миттєве пом’якшення, а не чекати збірку й сертифікацію.

Програмовані шейдери — одне з найкращих, що трапилось з графікою. Водночас це нагадування, що «графіка» не унікальна. Це обчислення, компіляція, кешування та бюджети затримки —
просто з кращими скриншотами, якщо все зроблено правильно.