V dnešní době došlo k masivnímu rozšíření počítačů do všech oblastí lidské činnosti. Setkáváme se s nimi nejen při komerčním použití, ale i ve většině domácností. Každý počítač se skládá z několika hardwarových komponent, přičemž některé jsou pro výkon počítače důležité více a některé méně. Jednou z nejdůležitějších komponent je grafická karta. Její správná volba se dá provést podle několika kritérií. Jedná se například o to k jakému účelu se bude počítač používat, kolik jsme ochotni do něj investovat, zda kupujeme sestavu předem sestavenou nebo zda si počítač stavíme sami, atd. Mnozí z uživatelů však vůbec netuší z jakých částí se jejich grafická karta vůbec skládá, k jakému účelu se dají její jednotlivé části použít a jakým stylem s těmito částmi herní a softwaroví vývojáři pracují.

V architektuře grafické karty se nyní, kromě grafického čipu a pamětí, nacházejí dvě programovatelné jednotky nazvané vertex a pixel shadery. Běžný i trochu technicky zdatnější uživatel však vůbec nemá ponětí, že jeho grafická karta něco takového obsahuje a pokud ano, tak neví jaký je jejich účel a použití. Účelem tohoto článku je seznámit vás trochu blíže s účelem první z těchto dvou částí grafické karty, takzvaných pixel shaderů. Jejich umístění v architektuře grafického čipu je patrné z obrázku.

Blokové schéma grafického čipu

Chtěl bych, aby jste po přečtení tohoto článku měli alespoň základní tušení o co u této technologie jde a proč se jí dnes při technické specifikaci nových grafických čipů věnuje taková pozornost. Chci vás upozornit, že se v tomto případě nejedná o přehnané působení marketingových oddělení výrobců a distributorů grafických karet, ale že tato jednotka má opravdu veliký význam pro nasazení grafické karty v různých typech aplikací. Efekty, kterých lze použitím pixel shaderů dosáhnout jsou vidět na obrázcích.

Ukázka možností pixel shaderů verze 2.0 v 3Dmark 03

Pixel shader je jedna ze základních částí architektury grafického čipu. Jedná se o jednotku, která je plně programovatelná. Posupný vývoj přinesl několik generací této jednotky. Jednotlivými generacemi se zabývám v samostatném odstavci uvedeném níže. S jednotlivými generacemi se zvyšuje počet instrukcí, které můžeme pro tuto jednotku použít. Na diagramu vidíte paralelní uspořádání pipeline struktury aritmeticko logické jednotky pixel shaderu, takzvané ALU.

Paralelní uspořádání pipeline struktury aritmeticko logické jednotky

Pokud se na diagram podíváme podrobněji, jistě si všimnete toho, že na blokovém schématu jsou opravdu patrné dvě paralelně uspořádané větve. Větev na levé straně je na obrázku označená jako Vector pipe. Jedná se o vektorovou pipeline, která pracuje a operuje čistě s vektorovými daty. Vektorová data jsou často nazývána jako data barev. Z toho důvodu obsahují tři barevné kanály RGB, kde R (red) znamená barevný kanál pro červenou barvu, G (green) znamená barevný kanál pro zelenou barvu a B (blue) znamená barevný kanál pro modrou barvu. Větev na pravé straně je v diagramu označena jako Alpha pipe. Jedná se o skalární pipeline, která operuje s jednoduchými datovými hodnotami alfa. Tyto hodnoty najdete na diagramu pod označením A (alfa). Jedná se o takzvaný alfa kanál.

Nyní si podrobně popíšeme jednotlivé části nacházející na diagramu.

1. Vstupní registry -na obrázku jsou označeny jako input register(s) . Jedná se o vstupní data obsahující informace o RGBA signálu.
   
   
2. Komponenta pro kopírování -na obrázku je označena jako component copy . Jedná se o zdrojový selektor registru, který kopíruje data z jednoho kanálu do ostatních kanálů. Tato operace se běžně nazývá swizzling.
   
   
3. Modifikování dat -na obrázku označeno jako modify data . Jedná se o takzvané zdrojové modifikátory registrů. Tyto modifikátory se používají ke změně hodnot čtených ze zdrojových registrů předtím, než dojde k běhu instrukcí. Modifikátory mohou být použity k nastavení rozsahu dat v registrech připravovaných pro instrukci. Mohou být použity pouze pro aritmetické instrukce. Nelze je použít pro instrukce adresující textury.
   
   
4. Prováděcí instrukce -na obrázku je označena jako execute instruction . Používá se pro provádění aritmetických a texturově adresovaných operací s daty o pixelech. Pipes určené pro barevný kanal nebo pro alpha kanál nemohou běžet se stejnými instrukcemi ani nemohou používat stejné zdrojové registry.
   
   
5. Modifikování výsledku -v diagramu je označeno jako modify result . Je prováděno pomocí takzvaných instrukčních modifikátorů. Tyto modifikátory slouží ke změně výstupních dat instrukcí ještě předtím, než jsou zapsány do výstupních registrů. Mohou být použity pro násobení nebo dělení výsledků faktorem dva a dále pro sevření výsledku nacházejícího se mezi nulou a jedničkou. Instrukční modifikátory jsou aplikovány až po běhu instrukce, ale před tím než je výsledek zapsán do cílového registru. Můžeme použít instrukční modifikátor tří typů. Jejich seznam je uveden níže.
   
   
   • Modifikátor pro násobení -po načtení dat z registrů násobí tato vstupní data faktorem dva.
     
     
   • Modifikátor pro dělení -po načtení dat z registrů dělí tato vstupní data faktorem dva.
     
     
   • Saturační modifikátor -slouží k sevření rozsahu hodnot v registrech nacházejících se mezi nulou a jedničkou.

   
   
   

6. Maskování -v článku nazvané jako masking . Pro tuto operaci se používají takzvané masky pro zápis do registru. Jejich účelem je kontrolovat, které komponenty cílového registru byly zapsány pomocí instrukcí. Dále kontrolují, které kanály (red , green, blue, alpha) byly v cílovém registru zaktualizovány.
   
   
7. Výstupní registr -v diagramu označený jako output register . Nachází se na konci shaderu. Obsahuje v sobě informace o konečné barvě.

Za období po které se pixel shadery objevují jako standardní součást grafickýh karet se vyvinuly již tři generace. Každá z generací obsahuje ještě nějaké vývojové stupně. Přehled všech generací pixel shaderů včetně jejich popisu je uveden v následujícím seznamu.

• Pixel shadery generace 1.X (Radeon 8500/GeForce 3)

  • První vývojový stupeň 1.1
  • Druhý vývojový stupeň 1.2
  • Třetí vývojový stupeň 1.3
  • Čtvrtý vývojový stupeň 1.4
• Pixel Shadery generace 2.X (Radeon 9500/9700)
• Pixel shadery generace 2.X Extended (GeForce FX)
• Pixel shadery generace 3.X (R400)

V dalším textu se povádíme na rozdíly mezi jednotlivými generacemi pixel shaderů. Budu se věnovat pouze základním změnám, neboť Podrobnější popis by byl již nad rámec tohoto článku.

První generace označená 1.X

Nejdříve se podíváme na první generaci pixel shaderů označovanou jako 1.X. V následujícím krátkém seznamu si uvedeme maximální počty použitelných instrukcí. Typickckým představitelem karet s pixel shadery verze 1.1-1.2 jsou grafické karty s čipy Geforce 3, Geforce 3 Ti 200, Geforce 3 Ti 500 a Radeon 7500. Pixel shadery 1.3 používají grafické karty s čipy Geforce 4 Ti 4200, Geforce 4 Ti 4400, Geforce 4 Ti 4600, Geforce 4 Ti 4800 a Geforce 4 Ti 4800 SE. Pixel shadery 1.4 používá například grafická karta Radeon 8500.

• Verze 1.1 - 8 instrukcí.
  
  
• Verze 1.2 - 12 instrukcí.
  
  
• Verze 1.3 - 12 instrukcí.
  
  
• Verze 1.4 - 14 instrukcí.
  

V této verzi byla vytvořena celá řada nových instrukcí. Jedná se o tyto skupiny instrukcí:

1. Instrukce pro nastavování-def, ps.
   
   
2. Aritmetické instrukce-add, cmp, cnd, dp3, dp4, lrp, mad, mov, mul, nop, sub.
   
   
3. Makra-exp, frc, log, m3x2, m3x3, m3x4, m4x3, m4x4.
   
   
4. Texturové instrukce-tex, texbem, texbeml, texcoord, texcrd, texdepth, texdp3, texdp3tex, texkill, texld, texm3x2depth, texm3x2pad, texm3x2tex, texm3x3, texm3x3pad, texm3x3tex, texm3x3spec, texm3x3vspec, texreg2ar, texreg2gb, texreg2rgb.
   

Dále byly přidány nové registry: constant, temporary, texture, color.

A nakonec byly přidány nové modifikátory: instruction modifiers, register modifiers, source register selectors, register write masks.

Druhá generace označená 2.X

V této verzi došlo k podstatným změnám. Byly vytvořeny nové typy instrukcí a některé staré typy byly naprosto zrušeny. Maximální počet instrukcí v této verzi je 96. Z toho může být 64 instrukcí aritmetických a 32 instrukcí texturových. Podrobný výpis změn v instrukcích je uveden v následujícím seznamu. Tuto verzi pixel shaderů používají grafické karty Radeon 9700 a Radeon 9700 Pro.

1. Instrukce pro nastavování-žádné změny.
   
   
2. Aritmetické instrukce-žádné změny.
   
   
3. Makra-žádné změny.
   
   
4. Texturové instrukce
   
   
   • Byly odstraněny instrukce-tex, texbem, texbeml, texcoord, texcrd, texdepth, texdp3, texdp3tex, texm3x2depth, texm3x2pad, texm3x2tex, texm3x3, texm3x3pad, texm3x3tex, texm3x3spec, texm3x3vspec, texreg2ar, texreg2gb, texreg2rgb.
     
     
   • Byly přidány instrukce-texldb, texldp.
     

Dále byly přidány nové registry: constant float, sampler, output color, output depth.

A nakonec byly přidány nové modifikátory: negate, partial precision, saturate.

Druhá generace rozšířená označená 2.X Extended

V této verzi došlo k podstaným změnám v oblasti instrukcí. Byly vytvořeny nové kategorie instrukcí, které se nenacházejí v předchozích verzích. Minimální počet instrukcí v této verzi je 96. Maximální počet instrukcí v této verzi je 512. Podrobný výpis změn v instrukcích je uveden v následujícím seznamu. Tuto specifikaci používají grafické karty Geforce FX 5800 a Geforce FX 5800 Ultra.

1. Instrukce pro nastavování - žádné změny.
   
   
2. Aritmetické instrukce - žádné změny.
   
   
3. Makra - žádné změny.
   
   
4. Instrukce pro kontrolu statického toku - call, callnz, else, end, endif, endloop, endrep, if, label,loop, rep, ret.
   
   
5. Instrukce pro kontrolu dynamického toku - break, breakc, ifc
    
6. Gradientní instrukce - dsx, dsy.
   
   
7. Texturové instrukce  -texldd.
   
   
8. Predikace - setp instruction, p# register.
   

Dále byly přidány nové registry: constant integer, constant Boolean, loop counter, predicate.

A nakonec byly přidány nové modifikátory: arbitrary swizzle.

Třetí generace označená 3.X

V této verzi nedošlo k žádným podstatným změnám v oblasti instrukcí. Nebyly vytvořeny žádné nové kategorie instrukcí. Pouze došlo k rozšíření použitelného počtu instrukcí. Minimální počet instrukcí v této verzi je 512. Maximální počet instrukcí v této verzi je 32 768. Tato specifikace existuje zatím pouze ve vývojové podobě a zatím není obsažena v žádném hardwaru (plánuje se do R400). Vývojáři zatím mají možnost se specifikací pracovat a blíže se s ní seznamovat. Až dojde k jejímu začlenění do grafických karet, budou schopni pružně reagovat na nový hardware a vytvářet pro něj aplikace plně využívající přínosy této nové specifikace. Podrobný výpis změn v instrukcích je uveden v následujícím seznamu.

1. Instrukce pro nastavování - žádné změny.
   
   
2. Aritmetické instrukce - žádné změny
   
   
3. Makra - žádné změny.
   
   
4. Instrukce pro kontrolu statického toku - žádné změny.
   
   
5. Instrukce pro kontrolu dynamického toku - žádné změny
    
6. Gradientní instrukce - žádné změny.
   
   
7. Texturové instrukce - žádné změny.
   
   
8. Predikace - žádné změny.
   

Registry: beze změny.

A nakonec modifikátory: opět beze změny.

Závěr

Účelem tohoto článku bylo seznámit především běžné uživatele s tím co je to pixel shader. Doufám, že i pokročilí uživatelé si článek rádi přečtou a že z něj budou moci načerpat přínosné informace. Myslím si, že takovýchto článků není na českém intermetu mnoho a proto tedy doufám, že jsem alespoň trochu přispěl k rozšíření obzorů českých uživatelů internetu.

Další články v kategorii

• Asus TUF GF RTX 3080 O10G: skvělý chladič a slušná cena
• GeForce RTX 3080, kondenzátory, nové ovladače a stabilita
• Nvidia GeForce RTX 3090: Profesionální a herní bestie
• MSI GeForce RTX 3080 Gaming X Trio: rychlejší, tišší, lepší!
• Nvidia GeForce RTX 3080 Founders Edition: Ampere je tu!