计算着色器

计算着色器是 DirectX 11 引入的一种 GPU 计算方式：它不固定在图形管线的某个位置，但由图形 API 调用，和其他着色器共用统一着色器核心。它暴露了线程组和组内共享内存，最大的优势是能直接处理 GPU 上生成的数据，不用来回传给 CPU。

和 GPU 计算的关系

把 GPU 当作大规模并行处理器来用，叫 GPU 计算，比如 CUDA、OpenCL，可以用来算期权价格、训练神经网络，完全不需要图形功能。计算着色器也是 GPU 计算的一种，但它和渲染紧密结合：由图形 API 调用，和顶点、像素着色器一起使用。

编程模型

• 线程和 warp 在计算着色器里更加可见，每次调用都能拿到自己的线程索引。
• 线程组 (thread group)：DirectX 11 中包含 1 到 1024 个线程，用 x、y、z 三维坐标指定，方便在代码里使用。
• 每个线程组有一小块共享内存，DirectX 11 中是 32 KB。
• 按线程组执行，保证组内所有线程同时运行。

为什么快

• 从 GPU 传数据回 CPU 有延迟，计算着色器能让处理过程和结果都留在 GPU 上。
• 共享内存让相邻线程能共享采样像素的中间结果。书中提到，用计算着色器求图像亮度的分布或平均值，比用像素着色器快一倍。

在游戏里的常见用途

• 后处理：模糊、景深等
• 粒子系统
• 网格处理，比如面部动画
• 剔除 (culling)
• 图像过滤、阴影、提高深度精度
• 头发和海浪模拟
• RTR4 提到，有研究认为计算着色器做细分可以比外壳着色器更高效

取舍

计算着色器灵活，但要自己管理线程组大小和共享内存，这些都会影响 GPU 并行架构 里的占用率。

GEA 的视角：核函数（卷 I 4.11.2–4.11.3）

• GEA 把计算着色器看作 SIMD 向量化的延伸：CPU 向量化要把循环改写成每次处理 4/8/16 个元素；写计算核函数则保留单元素（单通道）的循环体，GPU 替你执行循环，每个元素调用一次核函数，类似像素着色器一进一出。
• GEA 用 CUDA C 举例（__global__ 核函数、threadIdx.x、<<<G, N>>> 指定线程组数和数据维度、cudaDeviceSynchronize() 等待完成）。一个线程组只能在一个计算单元上运行，线程组数越多，驱动越能把工作分到多个计算单元。本页 RTR4 讲的是 DirectX 11 的线程组（1–1024 个线程、32 KB 共享内存），两者概念相同，API 不同。详见 GPGPU 编程入门。

GEA 的视角：计算管线在图形中的角色（卷 II 11.4.6.2）

• GEA 把计算管线列为当今 GPU 的四种管线之一（另外三种是传统光栅管线、光线追踪管线和网格着色器管线），四类工作负载可以同时在 GPU 上执行，都能由 CPU 提交，部分还能由 GPU 上的着色器发起（卷 II 11.4.6）。
• 演进逻辑：早期加速卡（Voodoo、GeForce 256）的阶段可配置不可编程；可编程着色器出现后很快统一了编程模型，着色器可以跑在相对通用的 SIMD 核心上，指令集也扩展到通用计算，于是厂商开始支持计算着色器（卷 II 11.4.6.2）。
• 从图形管线角度看，计算着色器既可跑非图形任务，也可实现不便放进光栅管线任何阶段的图形任务，例如 GPU 上的细分曲面和虚幻引擎的 Nanite（见 Nanite 虚拟化几何体）。可以用 HLSL 编写，通过 DirectX 等图形 API 或 OpenCL、CUDA 等非图形 API 配置、编译和调用。
• HLSL 中计算着色器内核是返回 void 的函数，接收 SV_DispatchThreadID 参数，即该通道在线程组中的三维索引（卷 II 11.4.10.1）。

  原书问题（11.4.10.1）：SV_DispatchThreadID 是语义而不是类型（参数类型通常是 uint3），而且它是线程在整个 dispatch 中的全局索引，等于 SV_GroupID * numthreads + SV_GroupThreadID；线程在本线程组内的索引是 SV_GroupThreadID（扁平化后为 SV_GroupIndex）（MS Learn "SV_DispatchThreadID"、"SV_GroupThreadID"）。