Еволюція графічного конвеєра ПК: від фіксованих функцій до path tracing у реальному часі

Графічний конвеєр — це послідовність операцій, які перетворюють тривимірну сцену на двовимірне зображення на екрані. За 40 років ця технологія пройшла шлях від простих дротяних каркасів на мейнфреймах до фотореалістичного трасування променів на споживчому залізі. Розуміння цієї еволюції пояснює, чому сучасні ігри виглядають так, як виглядають, і що чекає на індустрію далі.

Ера фіксованих функцій: 1980-ті — середина 1990-х

Перші графічні прискорювачі виконували лише заздалегідь визначені операції. Програміст не міг змінити алгоритм роботи — тільки подавав дані на вхід: координати вершин трикутників, текстури, параметри поверхні. Апаратура обробляла це фіксованим способом, виводячи пікселі на екран.

PlayStation 1, Nintendo 64, ранні ПК-акселератори з підтримкою Transform & Lighting (T&L) — усі працювали за цим принципом. Якщо хотіли спеціальний ефект освітлення або тіні, доводилося хитрувати: попередньо запікати тіні в текстури, використовувати мультитекстурування для імітації складного освітлення.

Продуктивність зростала швидко: від 50 мільйонів пікселів на секунду на початку 1980-х до мільярда наприкінці 1990-х. Кількість оброблюваних вершин збільшилась зі 100 тисяч до 10 мільйонів за секунду. Але гнучкості не було — те, що не закладено в апаратуру, реалізувати неможливо.

Перехід до програмованості: GeForce 3 і далі

У 2001 році NVIDIA випустила GeForce 3 — першу споживчу відеокарту з програмованими шейдерами. Розробники отримали можливість писати власні програми для обробки вершин (vertex shaders) та пікселів (pixel shaders). Це відкрило двері для складних ефектів: процедурних текстур, per-pixel освітлення, bump mapping, який створював ілюзію рельєфу без додаткової геометрії.

Спочатку шейдери писали мовою асемблера, що вимагало глибокого розуміння архітектури GPU. Згодом з'явилися високорівневі мови: Cg (NVIDIA), HLSL (Microsoft для DirectX), GLSL (OpenGL). Це знизило поріг входу і дозволило експериментувати швидше.

Архітектура залишалася роздільною: окремі блоки для вершинної та піксельної обробки. Якщо сцена мала багато складних шейдерів вершин, але прості піксельні, вершинні блоки перевантажувалися, а піксельні простоювали. Неефективність.

Уніфіковані шейдери: GeForce 8 Series (2006)

NVIDIA GeForce 8800 змінила правила. Замість спеціалізованих блоків компанія створила масив уніфікованих процесорів, які динамічно розподілялися між різними етапами конвеєра. Той самий процесор міг обробляти вершини, піксели або геометричні примітиви залежно від потреби.

Це підвищило ефективність використання апаратури. Якщо сцена потребувала більше піксельної обробки, більше процесорів переключалося на цю задачу. Архітектура стала гнучкішою, продуктивність зросла без пропорційного збільшення транзисторів.

Geometry shaders з'явилися тоді ж. Вони дозволяли генерувати нові примітиви на льоту: один трикутник міг породити десятки інших, створюючи траву, волосся, частинки. Це знову розширило можливості без зміни базової архітектури конвеєра.

Як працює растеризація: основа сучасного рендерингу

Растеризація — домінуючий метод відображення 3D-графіки з 1980-х. Процес виглядає так:

Vertex processing. Кожна вершина проходить через vertex shader, який перетворює її координати з тривимірного простору на двовимірний екран. Тут застосовуються матриці трансформацій: переміщення, обертання, масштабування, проєкція камери.

Rasterization. Трикутники перетворюються на фрагменти — потенційні пікселі. Растеризатор визначає, які пікселі екрану покриває кожен трикутник. Це складний апаратний блок, який працює набагато швидше за програмне рішення.

Fragment processing. Кожен фрагмент проходить через pixel (fragment) shader, який обчислює його колір з урахуванням текстур, освітлення, нормалей поверхні. Тут відбувається більшість візуальної магії: відображення, заломлення, процедурні ефекти.

Output merger. Фінальний етап об'єднує всі дані. Depth buffer (Z-buffer) відкидає пікселі, які перекриті іншими об'єктами. Color buffer зберігає кінцевий колір. Stencil buffer використовується для спеціальних ефектів: тіні, відображення, маски.

Перевага растеризації: паралелізм. Кожен трикутник обробляється незалежно, кожен піксель малюється незалежно. GPU з тисячами ядер обробляє мільйони трикутників і пікселів одночасно. Це дозволяє досягати 60+ кадрів на секунду навіть у складних сценах.

Обмеження растеризації та поява ray tracing

Растеризація ефективна, але має фундаментальні обмеження. Вона розглядає кожен об'єкт окремо, не враховуючи глобальні взаємодії світла. Результат: відсутність реалістичних відображень, заломлень, м'яких тіней, непрямого освітлення (коли світло відбивається від стін і освітлює інші об'єкти).

Розробники обходили це хитрощами: запікали освітлення в текстури під час розробки, використовували screen-space reflections (відображення на основі того, що вже намальовано на екрані), додавали ambient occlusion для імітації затінення в заглибленнях. Це працювало, але виглядало штучно, коли дивилися уважно.

Ray tracing вирішує проблему по-іншому. Замість малювання трикутників алгоритм випускає промені з камери через кожен піксель екрану. Якщо промінь влучає в об'єкт, обчислюється колір у точці влучення з урахуванням матеріалу, освітлення, відбитих променів. Це природно моделює відображення, заломлення, тіні, непряме освітлення.

Проблема: обчислювальна складність. Один кадр у роздільності 1920×1080 містить понад 2 мільйони пікселів. Кожен потребує кількох променів для антиалайзингу, відображень, м'яких тіней. Це мільярди обчислень на кадр. До середини 2010-х ray tracing працював тільки в офлайн-рендерингу для кіно та архітектурної візуалізації, де на один кадр відводилися години.

RTX і real-time ray tracing: 2018 — сьогодення

NVIDIA RTX 2000 Series (2018) додала спеціалізовані RT-ядра для прискорення трасування променів. Ці блоки виконують BVH traversal (обхід дерева обмежувальних об'ємів) — операцію, яка визначає, які об'єкти перетинає промінь. Це найдорожча частина ray tracing, і апаратне прискорення зробило її в 10–20 разів швидшою.

Але навіть з RT-ядрами повний ray tracing залишався занадто повільним для 60 FPS. Рішення: гібридний рендеринг. Основна геометрія малюється растеризацією, ray tracing застосовується вибірково для відображень, тіней, глобального освітлення. DLSS (Deep Learning Super Sampling) додатково прискорює процес: нейромережа виводить кадр у високій роздільності з версії в низькій, економлячи обчислення.

RTX 4000 Series (2022) та RTX 5000 Series (2025) покращили апаратуру: більше RT-ядер, вища частота, оптимізовані алгоритми. Ігри почали використовувати ray tracing не як ефект, а як основу рендерингу. Cyberpunk 2077 Overdrive Mode, Metro Exodus Enhanced Edition, Portal RTX — приклади, де майже все освітлення обчислюється через трасування променів.

Path tracing: наступний крок

Path tracing — розширення ray tracing, де промені не зупиняються на першому влученні, а продовжують відбиватися від поверхонь, збираючи непряме освітлення. Це найточніший метод моделювання світла, який використовується в кіно (Pixar, DreamWorks, ILM).

Для ігор path tracing ще занадто дорогий навіть з RTX 5090. Проте є прогрес: Quake II RTX, Minecraft RTX використовують спрощений path tracing з денойзингом (видалення шуму через AI). Зображення виглядає фотореалістично: світло поводиться природно, тіні м'які, кольорові відблиски від поверхонь освітлюють сусідні об'єкти.

Проблеми залишаються. Path tracing вимагає багато семплів на піксель для чистого зображення. Денойзинг допомагає, але розмиває деталі. Продуктивність все ще далека від 120 FPS у 4K, які очікують ентузіасти.

API та роль драйверів

Графічний API — посередник між грою та GPU. DirectX, OpenGL, Vulkan, Metal стандартизують команди, які розробник надсилає відеокарті. Без API кожна гра мала б писати код окремо для NVIDIA, AMD, Intel.

DirectX 11 і старіші OpenGL використовували високорівневу абстракцію. Драйвер відеокарти виконував багато роботи: розподіляв ресурси, оптимізував команди, управляв пам'яттю. Це спрощувало розробку, але створювало накладні витрати. CPU витрачав час на підготовку команд для GPU, а драйвер додавав ще один шар обробки.

Vulkan і DirectX 12 змінили підхід. Вони дають програмісту пряміший доступ до апаратури. Розробник сам керує пам'яттю, синхронізацією, розподілом ресурсів. Це складніше, але знижує накладні витрати і дозволяє CPU ефективніше завантажувати GPU. Результат: більше draw calls на кадр, вища продуктивність у сценах з багатьма об'єктами.

Майбутнє: mesh shaders, AI-assisted rendering

Mesh shaders — нова стадія конвеєра, яка замінює традиційний vertex/geometry pipeline. Вона дає програмісту повний контроль над тим, як генеруються та оптимізуються трикутники. Це дозволяє динамічно змінювати деталізацію моделі залежно від відстані, відкидати невидимі трикутники раніше в конвеєрі, ефективніше використовувати пам'ять.

AI-assisted rendering використовує нейромережі для різних задач. DLSS апскейлить зображення. NVIDIA DLSS 4 з Multi Frame Generation генерує проміжні кадри, підвищуючи FPS без додаткового навантаження на основний конвеєр. Денойзинг очищає шум від path tracing. В майбутньому AI може генерувати текстури, анімації, навіть частини геометрії на льоту.

Гібридні конвеєри стануть нормою. Растеризація для базової геометрії, ray tracing для освітлення та відображень, AI для апскейлінгу та генерації кадрів, compute shaders для фізики та частинок. GPU перетвориться на універсальний паралельний процесор, який виконує різні задачі залежно від сцени.

Висновок

Еволюція графічного конвеєра — це історія збільшення гнучкості без втрати продуктивності. Від фіксованих функцій 1990-х до програмованих шейдерів 2000-х, від уніфікованої архітектури до real-time ray tracing 2020-х. Кожен крок додавав можливості, розширював візуальні горизонти, наближав комп'ютерну графіку до фотореалізму.

Path tracing у реальному часі все ще далекий від масового впровадження, але напрямок зрозумілий. Через 5–10 років гібридні рішення стануть стандартом навіть на середньому залізі. Межа між кінематографічним і ігровим рендерингом продовжить розмиватися. Технологія, яка колись потребувала суперкомп'ютерів, стане доступною на настільних ПК. Це не кінець еволюції — лише черговий етап.