쉐이더에 대한 데이터 매핑

Note	모든 SPIR-V 어셈블리는 glslangValidator로 생성되었습니다.

이 장에서는 데이터를 매핑하기 위한 Vulkan과 SPIR-V의 인터페이스 방법에 대해 설명합니다. vkAllocateMemory 에서 할당된 VkDeviceMemory 객체를 사용하여 Vulkan으로부터의 데이터를 SPIR-V 쉐이더가 올바르게 이용할 수 있도록 적절히 매핑하는 것은 애플리케이션의 책임입니다.

Vulkan 코어에서는 Vulkan 애플리케이션의 데이터를 매핑하여 SPIR-V와 인터페이스하는 5가지 기본 방법이 있습니다:

입력 속성
디스크립터
- 디스크립터 유형
푸시 상수
특수화 상수
물리적 스토리지 버퍼

입력 속성

Vulkan 코어에서 Vulkan이 제어하는 입력 속성을 가지는 쉐이더 스테이지는 정점 쉐이더 스테이지(VK_SHADER_STAGE_VERTEX_BIT)뿐입니다. 여기에는 VkPipeline 을 생성할 때 인터페이스 슬롯을 선언하고 드로우콜 전에 VkBuffer 에 매핑할 데이터를 바인딩하는 작업이 포함됩니다. 프래그먼트 쉐이더 스테이지와 같은 다른 쉐이더 스테이지에는 입력 속성을 가지고 있지만, 그 값은 그 전에 실행된 스테이지에서 출력됩니다.

vkCreateGraphicsPipelines 를 호출하기 전에 쉐이더에 대한 VkVertexInputAttributeDescription 매핑 목록으로 VkPipelineVertexInputStateCreateInfo 구조체를 채워야 합니다.

GLSL 정점 쉐이더 예제 (온라인 체험):

#version 450
layout(location = 0) in vec3 inPosition;

void main() {
    gl_Position = vec4(inPosition, 1.0);
}

location 0에는 입력 속성이 하나만 있습니다. 이는 생성된 SPIR-V 어셈블리에서도 확인할 수 있습니다:

              OpDecorate %inPosition Location 0

       %ptr = OpTypePointer Input %v3float
%inPosition = OpVariable %ptr Input
        %20 = OpLoad %v3float %inPosition

이 예제에서는 VkVertexInputAttributeDescription 에 다음과 같은 것을 사용할 수 있습니다:

VkVertexInputAttributeDescription input = {};
input.location = 0;
input.binding  = 0;
input.format   = VK_FORMAT_R32G32B32_SFLOAT; // maps to vec3
input.offset   = 0;

남은 작업은 드로우콜 전에 정점 버퍼와 선택적 인덱스 버퍼를 바인딩하는 것뿐입니다.

Note	`VkBuffer` 를 생성할 때 `VK_BUFFER_USAGE_VERTEX_BUFFER_BIT` 을 사용하면 “vertex buffer” 가 됩니다.

vkBeginCommandBuffer();
// ...
vkCmdBindVertexBuffer();
vkCmdDraw();
// ...
vkCmdBindVertexBuffer();
vkCmdBindIndexBuffer();
vkCmdDrawIndexed();
// ...
vkEndCommandBuffer();

Note	자세한 내용은 정점 입력 데이터 처리 챕터에서 확인할 수 있습니다.

디스크립터(Descriptors)

리소스 디스크립터는 유니폼 버퍼, 스토리지 버퍼, 샘플러 등의 데이터를 Vulkan의 임의의 쉐이더 스테이지에 매핑하는 핵심 방법입니다. 개념적으로 디스크립터는 쉐이더가 사용할 수 있는 메모리에 대한 포인터로 생각하면 됩니다.

Vulkan에는 다양한 디스크립터 유형이 있으며, 각 유형이 무엇을 허용하고 있는지 상세하게 설명되어 있습니다.

디스크립터는 쉐이더에 바인딩되는 디스크립터 세트로 함께 그룹화됩니다. 디스크립터 세트 안에 디스크립터가 하나만 있더라도 쉐이더에 바인딩할 때는 VkDescriptorSet 전체가 사용됩니다.

예제

이 예제에서는 다음과 같은 3개의 디스크립터 세트가 있습니다:

GLSL 쉐이더 (온라인 체험):

// Note - 이 쉐이더에서는 세트 0과 2만 사용됩니다

layout(set = 0, binding = 0) uniform sampler2D myTextureSampler;

layout(set = 0, binding = 2) uniform uniformBuffer0 {
    float someData;
} ubo_0;

layout(set = 0, binding = 3) uniform uniformBuffer1 {
    float moreData;
} ubo_1;

layout(set = 2, binding = 0) buffer storageBuffer {
    float myResults;
} ssbo;

대응되는 SPIR-V 어셈블리:

OpDecorate %myTextureSampler DescriptorSet 0
OpDecorate %myTextureSampler Binding 0

OpMemberDecorate %uniformBuffer0 0 Offset 0
OpDecorate %uniformBuffer0 Block
OpDecorate %ubo_0 DescriptorSet 0
OpDecorate %ubo_0 Binding 2

OpMemberDecorate %uniformBuffer1 0 Offset 0
OpDecorate %uniformBuffer1 Block
OpDecorate %ubo_1 DescriptorSet 0
OpDecorate %ubo_1 Binding 3

OpMemberDecorate %storageBuffer 0 Offset 0
OpDecorate %storageBuffer BufferBlock
OpDecorate %ssbo DescriptorSet 2
OpDecorate %ssbo Binding 0

디스크립터 바인딩은 커맨드 버퍼를 기록하는 동안 수행됩니다. 디스크립터는 드로우/디스패치 콜 할 때 바인딩되어야 합니다. 다음은 이를 더 잘 표현하기 위한 의사 코드입니다:

vkBeginCommandBuffer();
// ...
vkCmdBindPipeline(); // 쉐이더 바인드

// 두 세트를 바인딩하는 한 가지 가능한 방법
vkCmdBindDescriptorSets(firstSet = 0, pDescriptorSets = &descriptor_set_c);
vkCmdBindDescriptorSets(firstSet = 2, pDescriptorSets = &descriptor_set_b);

vkCmdDraw(); // or dispatch
// ...
vkEndCommandBuffer();

결과는 다음과 같습니다

디스크립터 유형

Vulkan 사양서에는 쉐이더 리소스와 스토리지 클래스 대응표가 있으며 각 디스크립터 유형이 SPIR-V에서 어떻게 매핑되어야 하는지 설명되어있습니다.

다음은 각 디스크립터 유형에 대한 GLSL 및 SPIR-V 매핑의 예시입니다.

GLSL의 경우 자세한 내용은 GLSL 사양 - 12.2.4. Vulkan 전용: 샘플러, 이미지, 텍스쳐 및 버퍼에서 확인할 수 있습니다.

스토리지 이미지(Storage Image)

VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_IMAGE

온라인 체험

// VK_FORMAT_R32_UINT
layout(set = 0, binding = 0, r32ui) uniform uimage2D storageImage;

// GLSL에서 읽고 쓰기 사용법 예제
const uvec4 texel = imageLoad(storageImage, ivec2(0, 0));
imageStore(storageImage, ivec2(1, 1), texel);

OpDecorate %storageImage DescriptorSet 0
OpDecorate %storageImage Binding 0

%r32ui        = OpTypeImage %uint 2D 0 0 0 2 R32ui
%ptr          = OpTypePointer UniformConstant %r32ui
%storageImage = OpVariable %ptr UniformConstant

샘플러와 샘플링된 이미지

VK_DESCRIPTOR_TYPE_SAMPLER and VK_DESCRIPTOR_TYPE_SAMPLED_IMAGE

온라인 체험

layout(set = 0, binding = 0) uniform sampler samplerDescriptor;
layout(set = 0, binding = 1) uniform texture2D sampledImage;

// GLSL에서 texture()를 이용한 사용법 예제
vec4 data = texture(sampler2D(sampledImage,  samplerDescriptor), vec2(0.0, 0.0));

OpDecorate %sampledImage DescriptorSet 0
OpDecorate %sampledImage Binding 1
OpDecorate %samplerDescriptor DescriptorSet 0
OpDecorate %samplerDescriptor Binding 0

%image        = OpTypeImage %float 2D 0 0 0 1 Unknown
%imagePtr     = OpTypePointer UniformConstant %image
%sampledImage = OpVariable %imagePtr UniformConstant

%sampler           = OpTypeSampler
%samplerPtr        = OpTypePointer UniformConstant %sampler
%samplerDescriptor = OpVariable %samplerPtr UniformConstant

%imageLoad       = OpLoad %image %sampledImage
%samplerLoad     = OpLoad %sampler %samplerDescriptor

%sampleImageType = OpTypeSampledImage %image
%1               = OpSampledImage %sampleImageType %imageLoad %samplerLoad

%textureSampled = OpImageSampleExplicitLod %v4float %1 %coordinate Lod %float_0

결합 이미지 샘플러

VK_DESCRIPTOR_TYPE_COMBINED_IMAGE_SAMPLER

온라인 체험

Note	구현에 따라서 결합된 디스크립터 내의 디스크립터 세트에 함께 저장된 샘플러와 샘플링된 이미지를 조합하여 이미지로부터 샘플링하는 것이 더 효율적일 수 있습니다.

layout(set = 0, binding = 0) uniform sampler2D combinedImageSampler;

// GLSL에서 texture() 이용한 사용법 예제
vec4 data = texture(combinedImageSampler, vec2(0.0, 0.0));

OpDecorate %combinedImageSampler DescriptorSet 0
OpDecorate %combinedImageSampler Binding 0

%imageType            = OpTypeImage %float 2D 0 0 0 1 Unknown
%sampleImageType      = OpTypeSampledImage imageType
%ptr                  = OpTypePointer UniformConstant %sampleImageType
%combinedImageSampler = OpVariable %ptr UniformConstant

%load           = OpLoad %sampleImageType %combinedImageSampler
%textureSampled = OpImageSampleExplicitLod %v4float %load %coordinate Lod %float_0

유니폼 버퍼(Uniform Buffer)

VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER

Note	유니폼 버퍼는 바인드 시간에 동적 오프셋을 가질 수도 있습니다(VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_BUFFER_DYNAMIC)

온라인 체험

layout(set = 0, binding = 0) uniform uniformBuffer {
    float a;
    int b;
} ubo;

// example of reading from UBO in GLSL
int x = ubo.b + 1;
vec3 y = vec3(ubo.a);

OpMemberDecorate %uniformBuffer 0 Offset 0
OpMemberDecorate %uniformBuffer 1 Offset 4
OpDecorate %uniformBuffer Block
OpDecorate %ubo DescriptorSet 0
OpDecorate %ubo Binding 0

%uniformBuffer = OpTypeStruct %float %int
%ptr           = OpTypePointer Uniform %uniformBuffer
%ubo           = OpVariable %ptr Uniform

스토리지 버퍼(Storage Buffer)

VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_BUFFER

Note	스토리지 버퍼는 바인드 시간에 동적 오프셋을 가질 수도 있습니다(VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_BUFFER_DYNAMIC)

온라인 체험

layout(set = 0, binding = 0) buffer storageBuffer {
    float a;
    int b;
} ssbo;

// example of reading and writing SSBO in GLSL
ssbo.a = ssbo.a + 1.0;
ssbo.b = ssbo.b + 1;

Note	중요 `BufferBlock` 과 `Uniform` 은 VK_KHR_storage_buffer_storage_class 이전부터 존재합니다.

OpMemberDecorate %storageBuffer 0 Offset 0
OpMemberDecorate %storageBuffer 1 Offset 4
OpDecorate %storageBuffer Block
OpDecorate %ssbo DescriptorSet 0
OpDecorate %ssbo Binding 0

%storageBuffer = OpTypeStruct %float %int
%ptr           = OpTypePointer StorageBuffer %storageBuffer
%ssbo          = OpVariable %ptr StorageBuffer

유니폼 텍셀 버퍼(Uniform Texel Buffer)

VK_DESCRIPTOR_TYPE_UNIFORM_TEXEL_BUFFER

온라인 체험

layout(set = 0, binding = 0) uniform textureBuffer uniformTexelBuffer;

// GLSL에서 텍셀 버퍼 읽기 예제
vec4 data = texelFetch(uniformTexelBuffer, 0);

OpDecorate %uniformTexelBuffer DescriptorSet 0
OpDecorate %uniformTexelBuffer Binding 0

%texelBuffer        = OpTypeImage %float Buffer 0 0 0 1 Unknown
%ptr                = OpTypePointer UniformConstant %texelBuffer
%uniformTexelBuffer = OpVariable %ptr UniformConstant

스토리지 텍셀 버퍼(Storage Texel Buffer)

VK_DESCRIPTOR_TYPE_STORAGE_TEXEL_BUFFER

온라인 체험

// VK_FORMAT_R8G8B8A8_UINT
layout(set = 0, binding = 0, rgba8ui) uniform uimageBuffer storageTexelBuffer;

// GLSL에서 텍셀 버퍼 읽고 쓰기 예제
int offset = int(gl_GlobalInvocationID.x);
vec4 data = imageLoad(storageTexelBuffer, offset);
imageStore(storageTexelBuffer, offset, uvec4(0));

OpDecorate %storageTexelBuffer DescriptorSet 0
OpDecorate %storageTexelBuffer Binding 0

%rgba8ui            = OpTypeImage %uint Buffer 0 0 0 2 Rgba8ui
%ptr                = OpTypePointer UniformConstant %rgba8ui
%storageTexelBuffer = OpVariable %ptr UniformConstant

입력 첨부(Input Attachment)

VK_DESCRIPTOR_TYPE_INPUT_ATTACHMENT

온라인 체험

layout (input_attachment_index = 0, set = 0, binding = 0) uniform subpassInput inputAttachment;

// GLSL에서 첨부 데이터 불러오기 예제
vec4 data = subpassLoad(inputAttachment);

OpDecorate %inputAttachment DescriptorSet 0
OpDecorate %inputAttachment Binding 0
OpDecorate %inputAttachment InputAttachmentIndex 0

%subpass         = OpTypeImage %float SubpassData 0 0 0 2 Unknown
%ptr             = OpTypePointer UniformConstant %subpass
%inputAttachment = OpVariable %ptr UniformConstant

푸시 상수(Push Constants)

푸시 상수는 쉐이더에서 액세스할 수 있는 작은 값 모임입니다. 푸시 상수를 사용하면 애플리케이션에서 버퍼를 생성하거나 업데이트할 때마다 디스크립터 세트를 수정 및 바인딩하지 않고도 쉐이더에 사용되는 값을 설정할 수 있습니다.

이것들은 소량(몇 워드)의 빈번하게 갱신되는 데이터를 커맨드 버퍼의 기록별로 업데이트하는 것에 적합하도록 설계되었습니다.

자세한 내용은 푸시 상수 챕터에서 확인할 수 있습니다.

특수화 상수(Specialization Constants)

특수화 상수는 VkPipeline 생성 시 SPIR-V의 상수 값을 지정할 수 있는 메커니즘입니다. 이는 고수준 쉐이딩 언어(GLSL, HLSL 등)에서 전처리기 매크로 사용을 대체할 수 있는 강력한 기능입니다.

예제

애플리케이션이 각각 다른 색상 값을 가진 VkPipeline 을 생성하려는 경우, 순진한(naive) 접근 방식은 두 개의 쉐이더를 사용하는 것입니다:

// shader_a.frag
#version 450
layout(location = 0) out vec4 outColor;

void main() {
    outColor = vec4(0.0);
}

// shader_b.frag
#version 450
layout(location = 0) out vec4 outColor;

void main() {
    outColor = vec4(1.0);
}

특수화 상수를 사용하면 쉐이더를 컴파일하기 위해 vkCreateGraphicsPipelines 를 호출할 때 대신 결정할 수 있습니다. 즉, 쉐이더가 하나만 있으면 됩니다.

온라인 체험

#version 450
layout (constant_id = 0) const float myColor = 1.0;
layout(location = 0) out vec4 outColor;

void main() {
    outColor = vec4(myColor);
}

SPIR-V 어셈블리 결과:

           OpDecorate %outColor Location 0
           OpDecorate %myColor SpecId 0

// 0x3f800000 as decimal which is 1.0 for a 32 bit float
%myColor = OpSpecConstant %float 1065353216

특수화 상수를 사용하면 쉐이더 내부에서는 여전히 값이 상수이지만, 예를 들어 다른 VkPipeline 이 동일한 쉐이더를 사용하지만 myColor 값을 0.5f 로 설정하려는 경우, 런타임에 이를 설정할 수 있습니다.

struct myData {
    float myColor = 1.0f;
} myData;

VkSpecializationMapEntry mapEntry = {};
mapEntry.constantID = 0; // GLSL에서는 constant_id, SPIR-V에서는 SpecId와 일치
mapEntry.offset     = 0;
mapEntry.size       = sizeof(float);

VkSpecializationInfo specializationInfo = {};
specializationInfo.mapEntryCount = 1;
specializationInfo.pMapEntries   = &mapEntry;
specializationInfo.dataSize      = sizeof(myData);
specializationInfo.pData         = &myData;

VkGraphicsPipelineCreateInfo pipelineInfo = {};
pipelineInfo.pStages[fragIndex].pSpecializationInfo = &specializationInfo;

// myColor를 1.0으로 설정하여 첫 번째 파이프라인 생성
vkCreateGraphicsPipelines(&pipelineInfo);

// 동일한 쉐이더를 사용하지만 다른 값을 설정하는 두 번째 파이프라인 생성
myData.myColor = 0.5f;
vkCreateGraphicsPipelines(&pipelineInfo);

역어셈블한 두 번째 VkPipeline 쉐이더에서는 myColor 의 새로운 상수 값이 0.5f 를 가집니다.

3 가지 유형의 특수화 상수 사용법

특수화 상수의 일반적인 사용 사례는 크게 3가지로 분류할 수 있습니다.

토글링 기능
- Vulkan 내에서 지원하는 기능은 실행 시까지 알 수 없습니다. 이 특수화 상수의 사용법은 두 개의 쉐이더를 별도로 작성하는 것을 방지하가 위한 것으로 대신 런타임에 상수 값을 결정합니다.
백엔드 최적화 개선
- 여기서 말하는 “백엔드” 란 SPIR-V의 결과를 기기에서 실행할 수 있도록 일부 ISA로 낮추는 컴파일러의 동작을 의미합니다.
- 상수 값을 사용하면 상수 접기, 죽은 코드 제거 등과 같은 일련의 최적화를 수행할 수 있습니다.
타입 및 메모리 크기에 미치는 영향
- 특수화 상수에서 사용되는 배열이나 변수형의 길이를 설정할 수 있습니다.
- 여기서 중요한 것은 이러한 타입과 크기에 따라 컴파일러가 레지스터를 할당해야 한다는 것입니다. 즉 할당된 레지스터에 큰 차이가 있으면 파이프라인 캐시가 실패할 가능성이 높아집니다.

물리적 스토리지 버퍼(Physical Storage Buffer)

Vulkan 1.2에서 승격된 VK_KHR_buffer_device_address 확장을 통해 “쉐이더 내에 포인터” 를 가진 기능이 추가되었습니다. 애플리케이션은 SPIR-V의 PhysicalStorageBuffer 스토리지 클래스를 사용하여 vkGetBufferDeviceAddress 를 호출하면 VkDeviceAddress 를 메모리로 반환할 수 있습니다.

이것은 데이터를 쉐이더에 매핑하는 방법이긴 하지만, 쉐이더와 인터페이스 되는 것은 아닙니다. 예를 들어, 애플리케이션이 유니폼 버퍼에서 이를 사용하고 싶다면 VK_BUFFER_USAGE_SHADER_DEVICE_ADDRESS_BIT 와 VK_BUFFER_USAGE_UNIFORM_BUFFER_BIT 를 모두 포함하는 VkBuffer 를 생성해야 합니다. 이 예제에서 Vulkan은 디스크립터를 사용하여 쉐이더와 인터페이스하지만, 그 이후에는 물리적 스토리지 버퍼를 사용하여 값을 업데이트할 수 있습니다.

제한 사항

Vulkan에는 한 번에 바인딩할 수 있는 데이터의 양에 제한이 있다는 점을 알아두는 것이 중요합니다.

입력 속성
- maxVertexInputAttributes
- maxVertexInputAttributeOffset
디스크립터
- maxBoundDescriptorSets
- 스테이지별 제한
- maxPerStageDescriptorSamplers
- maxPerStageDescriptorUniformBuffers
- maxPerStageDescriptorStorageBuffers
- maxPerStageDescriptorSampledImages
- maxPerStageDescriptorStorageImages
- maxPerStageDescriptorInputAttachments
- 유형별 제한
- maxPerStageResources
- maxDescriptorSetSamplers
- maxDescriptorSetUniformBuffers
- maxDescriptorSetUniformBuffersDynamic
- maxDescriptorSetStorageBuffers
- maxDescriptorSetStorageBuffersDynamic
- maxDescriptorSetSampledImages
- maxDescriptorSetStorageImages
- maxDescriptorSetInputAttachments
- VkPhysicalDeviceDescriptorIndexingProperties Descriptor Indexing를 사용하는 경우
- VkPhysicalDeviceInlineUniformBlockPropertiesEXT Inline Uniform Block를 사용하는 경우
푸시 상수
- maxPushConstantsSize - 모든 장치에서 최소 128 바이트 보장

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쉐이더에 대한 데이터 매핑

입력 속성

디스크립터(Descriptors)

예제

디스크립터 유형

스토리지 이미지(Storage Image)

샘플러와 샘플링된 이미지

결합 이미지 샘플러

유니폼 버퍼(Uniform Buffer)

스토리지 버퍼(Storage Buffer)

유니폼 텍셀 버퍼(Uniform Texel Buffer)

스토리지 텍셀 버퍼(Storage Texel Buffer)

입력 첨부(Input Attachment)

푸시 상수(Push Constants)

특수화 상수(Specialization Constants)

예제

3 가지 유형의 특수화 상수 사용법

물리적 스토리지 버퍼(Physical Storage Buffer)

제한 사항

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쉐이더에 대한 데이터 매핑

입력 속성

디스크립터(Descriptors)

예제

디스크립터 유형

스토리지 이미지(Storage Image)

샘플러와 샘플링된 이미지

결합 이미지 샘플러

유니폼 버퍼(Uniform Buffer)

스토리지 버퍼(Storage Buffer)

유니폼 텍셀 버퍼(Uniform Texel Buffer)

스토리지 텍셀 버퍼(Storage Texel Buffer)

입력 첨부(Input Attachment)

푸시 상수(Push Constants)

특수화 상수(Specialization Constants)

예제

3 가지 유형의 특수화 상수 사용법

물리적 스토리지 버퍼(Physical Storage Buffer)

제한 사항