wsg/docs/tech/ARCHI_CPU_GPU.md

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Technical Specification	GPU-Driven 3D Rendering Architecture with wGPU	Technical specification for GPU-driven 3D rendering architecture using wgpu, focusing on CPU-GPU workload distribution and performance optimization	architecture rendering gpu cpu performance wgpu	person/jerome		by at human:jerome 2026-07-31T00:00:00Z	true	current	2027-01-31

Architecture de Rendu 3D GPU-Driven avec wGPU : Bonnes Pratiques & Guide d'Implémentation

Ce document sert de spécification technique et de trame d'implémentation pour l'architecture de rendu 3D pilotée par le GPU (GPU-Driven Rendering) utilisant wgpu. L'objectif est de déléguer un maximum de charges de calcul au GPU pour soulager le CPU et maximiser les performances de parallélisme.

1. Répartition des Rôles : CPU vs GPU (La Source de Vérité)

Pour éviter les goulets d'étranglement dus aux allers-retours sur le bus PCIe, la règle d'or est la suivante : Le CPU est le cerveau logique, le GPU est l'exécutant visuel.

Côté CPU (Source de Vérité)

• Ce qu'il conserve : Les données logiques et les transformations brutes des objets (ex: Vec contenant la position, la rotation, et l'échelle).
• Ce qu'il fait : Il gère la logique de jeu, l'IA, le réseau et les interactions globales.
• Ce qu'il ne fait plus : Il ne calcule plus les matrices de transformation mondiales (World Matrices) en masse, et ne fait plus de tests de visibilité unitaires.

Côté GPU (Exécutant Autonome)

• Ce qu'il calcule : Les World Matrices, le Frustum Culling, et la génération des listes de dessin indirectes.
• Ce qu'il conserve : Les buffers de données persistants en VRAM (Storage Buffers) qui vivent d'une frame à l'autre sans jamais redescendre vers le CPU.

2. Le Pipeline d'Exécution par Frame (Ordre des Passes)

L'exécution des tâches s'appuie sur une structure séquentielle stricte au sein d'un même CommandEncoder. Le driver et wGPU s'occupent des barrières de mémoire implicites entre chaque étape.

[ CPU : Envoi des Transforms bruts ]
               ↓
[ Pass 1 : Compute (Calcul World Matrices + Frustum Culling + Indirect Draw Buffer) ]
               ↓ (Barrière de mémoire automatique gérée par le driver)
[ Pass 2 : Render (Draw Indexed Indirect basé sur les objets visibles) ]

Étape par étape :

• Mise à jour CPU (Minimaliste) : Le CPU écrit les transformations brutes (Transform) modifiées dans un buffer GPU mappé (single buffer en phase initiale — la synchronisation est assurée par queue.submit() qui garantit la séquence d'exécution). Double buffering sera ajouté uniquement si des artefacts apparaissent à haute fréquence (> 90 fps).
• Pass de Calcul (Compute Pass) :
  • Calcul des World Matrices : Un compute shader lit les transformations brutes et génère la matrice 4x4 finale pour chaque mesh.
  • Frustum Culling GPU : Le même compute shader (ou un compute pass dédié) compare la Bounding Box (AABB) de chaque objet avec les plans de la caméra (matrice de projection/vue).
  • Remplissage du Buffer Indirect : Si l'objet est visible, son identifiant est injecté dans un buffer de commandes de dessin indirect (Indirect Draw Buffer).
• Pass de Rendu (Render Pass) :
  • Le CPU émet une unique commande globale : draw_indexed_indirect.
  • Le GPU pioche directement dans le buffer préparé par le compute pass et dessine uniquement les objets visibles, sans intervention du CPU.

3. Stratégie de Synchronisation

• Sécurité de l'ordre : L'ordre d'appel des méthodes sur le CommandEncoder (begin_compute_pass suivi de begin_render_pass) garantit l'ordre d'exécution séquentiel sur le GPU.
• Barrières de mémoire : Le pilote insère automatiquement les barrières nécessaires pour s'assurer que le buffer de la WorldMatrix et le buffer Indirect sont complètement écrits par le compute shader avant d'être lus par le render pipeline.
• Éviter le Readback (map_async) : Sauf cas exceptionnel (débug ou interaction scriptée critique), aucune donnée géométrique ou de position ne doit remonter du GPU vers le CPU. Le CPU fait confiance à sa propre structure de données initiale pour la logique métier.

4. Synthèse des Structures de Données en VRAM

Pour implémenter cette architecture, prévoyez l'utilisation des buffers wGPU suivants : Nom du Buffer,Rôle,Type wGPU,Direction du flux Transform Buffer,Stocke les positions/rotations/échelles brutes.,Storage Buffer,CPU → GPU Matrix Buffer,Stocke les World Matrices finales calculées.,Storage Buffer,GPU (Calculé) → GPU (Lu par le Render) Bounding Box Buffer,Stocke les AABB de chaque mesh pour le culling.,Storage Buffer,CPU → GPU (Statique) Indirect Draw Buffer,Contient la liste dynamique des objets à dessiner.,Indirect Buffer + Storage,GPU (Rempli par Compute) → GPU (Lu par Render)