- Vulkan es una API de bajo nivel y multiplataforma que unifica gráficos 3D y cómputo general mediante compute shaders sobre un mismo modelo de memoria, colas y sincronización.
- Frente a OpenGL y DirectX 11, Vulkan reduce drásticamente la sobrecarga del driver, escala mejor en CPUs multinúcleo y aprovecha SPIR-V para shaders precompilados.
- Comparado con CUDA, Vulkan ofrece cómputo GPGPU menos especializado pero mucho más portable, compatible con distintos fabricantes y sistemas operativos.
- La elección entre Vulkan Compute, OpenGL, DirectX o CUDA depende del equilibrio entre rendimiento, complejidad, plataformas objetivo y necesidad de integrar gráficos y cómputo en un mismo pipeline.
Cuando uno empieza a trastear con cómputo en GPU es normal hacerse un lío entre tantas APIs: OpenGL, Vulkan, DirectX, CUDA… y, dentro de Vulkan, escuchar hablar de “Vulkan Compute” como si fuera algo distinto. Si estás pensando en implementar simulaciones, físicas, IA o cualquier tarea GPGPU, entender bien las diferencias entre Vulkan orientado a gráficos y su uso como API de cómputo es clave para elegir el camino adecuado.
En el fondo, Vulkan es solo una, pero se puede usar como API de gráficos tradicional o como API de cómputo general aprovechando sus compute shaders. Vamos a ver con calma qué cambia frente a OpenGL, qué diferencia hay respecto a CUDA y cómo encaja todo esto con el resto del ecosistema de APIs modernas como DirectX o incluso OpenCL.
Qué es Vulkan y qué pinta tiene Vulkan Compute
Vulkan es una API de bajo nivel creada y mantenida por el Khronos Group como evolución de la vieja OpenGL y de la filosofía de Mantle (AMD). Nació en 2016 como una API moderna para gráficos 3D y cómputo general en GPU, con dos objetivos muy claros: exprimir al máximo el hardware y ser verdaderamente multiplataforma.
A diferencia de OpenGL, que fue creciendo a base de extensiones y parches, Vulkan se diseñó desde cero para CPUs multinúcleo, GPUs modernas y dispositivos que van desde el PC de sobremesa hasta móviles y consolas. Se apoya fuertemente en la idea de que el desarrollador asume gran parte de la gestión de recursos y sincronización, a cambio de una reducción brutal de la sobrecarga de los drivers.
Cuando se habla de “Vulkan Compute” en realidad se hace referencia al uso de compute shaders dentro de Vulkan para tareas GPGPU: simulaciones, procesamiento de imágenes, física de partículas, postprocesado avanzado, IA, etc. No hay una API separada llamada así; lo que hay es un modelo unificado donde los shaders gráficos y de cómputo comparten el mismo ecosistema: mismo sistema de descriptores, misma cola de comandos, misma memoria y mismas herramientas de sincronización.
Este enfoque unificado permite que un solo motor o aplicación gestione render y cómputo con la misma API, sin necesidad de mezclar, por ejemplo, OpenGL para gráficos y otra API separada de cómputo para el trabajo general en GPU.
De OpenGL a Vulkan: el salto en compute shaders
OpenGL incorporó hace años los compute shaders, lo que permitió hacer GPGPU razonablemente cómodo para muchas tareas. Pero su diseño arrastra una máquina de estados global, fuerte dependencia de un contexto único y una sobrecarga de validaciones, bloqueos implícitos y sincronización oculta que no siempre escalan bien en CPUs multinúcleo.
En OpenGL, la mayoría del estado de la API está asociado a un contexto global: las llamadas se hacen secuencialmente y el driver toma muchas decisiones “mágicas” por ti. Para un programa pequeño o una demo puede valer, pero cuando quieres paralelizar de verdad, aprovechar todos los núcleos de una CPU y montar colas de trabajo bien ajustadas, esa filosofía se queda corta.
Vulkan rompe con este modelo y se basa en objetos sin estado global. En lugar de ir llamando funciones que modifican estados globales, en Vulkan creas buffers de comandos donde describres exactamente lo que quieres que se ejecute: qué recursos usar, qué shaders lanzar, cómo sincronizar, etc. Esos comandos se pueden generar en paralelo desde varios hilos y luego enviarse a la GPU de forma muy eficiente.
Esto tiene una consecuencia clara: frente a OpenGL, Vulkan permite explotar mucho mejor las CPUs multinúcleo. Los compute shaders en Vulkan se pueden preparar y despachar desde varios hilos sin que el driver se convierta en un cuello de botella. Por eso, en tareas muy pesadas o con muchos trabajos pequeños, Vulkan suele superar en rendimiento a OpenGL simplemente por reducir el coste en CPU y permitir una mejor distribución de la carga.
Otra diferencia importante está en los shaders: OpenGL usa GLSL de alto nivel y cada driver debe incluir su propio compilador, que traduce el código fuente en binario de GPU en tiempo de ejecución. Esto complica el mantenimiento de drivers y puede provocar comportamientos distintos entre fabricantes.
Vulkan adopta un enfoque parecido a Direct3D: los shaders no se entregan como texto, sino en un formato intermedio binario estándar llamado SPIR-V. Puedes compilar tus shaders una vez (por ejemplo, desde GLSL o HLSL al binario SPIR-V) y luego el driver solo tiene que realizar la optimización final. Esto mejora los tiempos de carga, reduce errores de compilación en tiempo de ejecución y facilita usar gran cantidad de shaders distintos en una misma escena o pipeline de cómputo.
Diferencias de rendimiento: OpenGL Compute vs Vulkan Compute
Desde el punto de vista puramente de GPU, el código de cómputo que se ejecuta en un compute shader puede ser muy parecido si lo escribes para OpenGL o para Vulkan. Sin embargo, el rendimiento global de la aplicación no depende solo de lo que ejecute la GPU, sino también de cómo alimentas esa GPU desde la CPU y de cómo sincronizas y compartes datos.
Con Vulkan puedes eliminar gran parte de la sobrecarga del driver, usar colas de comandos de manera explícita, agrupar muchas operaciones en lotes, manejar la memoria de forma manual y evitar estados globales que bloqueen el paralelismo. Todo esto hace que, en la práctica, la misma simulación o el mismo cómputo general tiendan a rendir mejor en Vulkan que en OpenGL, especialmente en escenarios con muchos hilos o muchas tareas pequeñas.
En aplicaciones reales, se han visto diferencias similares también en gráficos puros: con un hardware idéntico y en un entorno como Windows 7, se ha llegado a medir que Vulkan puede alcanzar alrededor de 303 fps frente a unos 270 fps con otra API más tradicional en ciertos benchmarks, gracias precisamente a esta reducción de sobrecarga y al mejor reparto de carga CPU/GPU.
Además, Vulkan escala mucho mejor con CPUs multi-core. OpenGL 4 o DirectX 11 fueron creadas pensando inicialmente en CPUs de un solo núcleo y han recibido extensiones para trabajar con varios, pero su modelo no escala tan bien. Vulkan, en cambio, se diseñó con esa realidad desde la base, de modo que preparar trabajo en paralelo para la GPU es parte natural de la API, no un añadido.
Vulkan frente a DirectX: APIs modernas de bajo nivel
Para situar a Vulkan Compute en el mapa completo, conviene compararlo con la comparativa completa Vulkan vs DirectX vs OpenGL, especialmente Direct3D 11 y 12, que siguen siendo referencia en el desarrollo de videojuegos para Windows y Xbox.
DirectX, desarrollado por Microsoft desde 1995, es en realidad un conjunto de APIs multimedia (gráficos, audio, entrada, etc.). Direct3D es la parte de gráficos 3D y, en Direct3D 11, la API es de más alto nivel: mucha lógica de gestión de recursos, sincronización y validaciones las hace automáticamente el driver. Esto simplifica la vida al desarrollador pero también implica más sobrecarga en CPU y menos control fino.
Con Direct3D 12, Microsoft se acercó a la filosofía de Vulkan: API de nivel más bajo, control explícito y mejor escalado en CPUs multi-core. Sin embargo, DirectX es una tecnología propietaria y centrada en el ecosistema Microsoft: Windows y consolas Xbox. Si tu objetivo principal es Windows, DirectX tiene un ecosistema madurísimo, documentación abundante y una comunidad enorme. Si dudas, puedes saber qué versión de DirectX tienes instalada.
Vulkan, en cambio, es multiplataforma desde el minuto uno. Funciona en Linux, Android, BSD Unix, Windows, Nintendo Switch y otras plataformas, con soporte de terceros en macOS e iOS a través de capas de compatibilidad. Esto hace que sea especialmente atractivo para estudios que quieren apuntar a varias plataformas con una sola base de código, incluyendo PC, móviles y consolas.
Otro matiz: DirectX es una colección de APIs, mientras que Vulkan se suele describir como software de programación de videojuegos/OpenGL de nueva generación pero unificado para gráficos y cómputo. Vulkan ofrece un uso CPU/GPU muy equilibrado y se ha posicionado muy bien en Android y en el mundo de los emuladores, mientras que DirectX domina claramente en Windows.
En términos de velocidad bruta, suele decirse que Vulkan es más rápido que DirectX en muchos escenarios, especialmente cuando el trabajo está bien paralelizado y se aprovecha la naturaleza multi-hilo y de bajo nivel de la API. DirectX 12 puede igualarse o superarla en casos concretos. Para comprobar compatibilidad, puedes verificar si tu GPU es compatible con DirectX 12 Ultimate.
Vulkan vs CUDA para GPGPU puro
Otro actor importante en computación de propósito general en GPU es CUDA, la plataforma de NVIDIA. Si vienes de CUDA y estás pensando en cambiar o complementar tu stack, es clave entender qué se gana y qué se pierde con Vulkan Compute.
CUDA está pensada específicamente para cómputo científico, HPC, IA, machine learning y tareas intensivas de procesamiento. Ofrece un ecosistema enorme de bibliotecas optimizadas, herramientas de depuración y perfiles, y está muy integrada en el mundo académico y de supercomputación. La sintaxis en C/C++ con extensiones CUDA es bastante amigable si ya vienes de ese entorno.
Vulkan, por su parte, es una API generalista de gráficos y cómputo. Sus compute shaders pueden hacer gran parte de lo que haces en CUDA, pero el modelo mental es distinto: trabajas con shaders SPIR-V, estructuras de descriptores, colas de comandos y sincronización explícita. La sintaxis no es idéntica a CUDA; normalmente escribirás en GLSL, HLSL u otro lenguaje fuente, que después compilarás a SPIR-V.
La gran ventaja de Vulkan sobre CUDA es que no está limitada al hardware de NVIDIA. Al ser un estándar abierto de Khronos, funciona con GPUs de distintos fabricantes y en muchos sistemas operativos distintos: Linux, Android, Windows, Nintendo y más. Si necesitas que tu software GPGPU corra en AMD, Intel, móviles o consolas, Vulkan es una solución mucho más flexible.
Eso sí, la curva de aprendizaje de Vulkan suele ser más empinada que la de CUDA. Hay que montar mucha infraestructura: dispositivos lógicos, colas, buffers, descriptores, pipelines, sincronización manual, etc. En CUDA muchas de estas capas están más integradas o abstraídas por las propias bibliotecas de NVIDIA.
En términos de uso práctico, Vulkan es ideal cuando necesitas unificar gráficos y cómputo y desplegar en muchas plataformas. CUDA es fantástico para GPGPU puro en ecosistema NVIDIA, sobre todo si vas a apoyarte en su stack de librerías (cuBLAS, cuDNN, etc.) y no necesitas gráficos avanzados integrados en la misma API.
Vulkan frente a otras APIs y estándares: OpenCL, Metal, Mantle…
Vulkan no vive solo frente a OpenGL, DirectX y CUDA; en el panorama del cómputo paralelo hay más actores. Un caso importante es OpenCL, también de Khronos, que se ha utilizado durante años para programación paralela de propósito general en múltiples dispositivos.
Con la llegada de OpenCL 2.2, Khronos anunció que OpenCL convergería con Vulkan en la medida de lo posible, de forma que el código OpenCL pudiera desplegarse tanto sobre OpenCL como sobre Vulkan. Este enfoque ya se ha demostrado en productos reales: por ejemplo, Adobe Premiere Rush utiliza el compilador de código abierto clspv para convertir kernels OpenCL C a SPIR-V y ejecutarlos sobre un runtime Vulkan en Android.
También hay APIs específicas de plataforma como Metal (Apple) o las raíces históricas de Vulkan en Mantle, la API de AMD cuyo código se cedió a Khronos para crear un estándar abierto de bajo nivel similar a DirectX 12 pero multiplataforma. Vulkan hereda muchas ideas de Mantle y comparte filosofía con DirectX 12 y Metal: baja sobrecarga, control explícito y foco en CPUs multi-core.
Evolución de Vulkan y foco en cómputo
Desde su lanzamiento inicial en 2016, Vulkan ha recibido varias actualizaciones mayores que han ido refinando su capacidad tanto para gráficos como para compute shaders.
En Vulkan 1.1 se estandarizaron extensiones como multivista, grupos de dispositivos, uso compartido entre procesos y APIs, funcionalidad de cómputo avanzada, compatibilidad mejorada con HLSL y soporte para formatos de color como YCbCr. También se introdujo soporte explícito para múltiples GPUs y bases para técnicas modernas como el trazado de rayos, acercándose aún más a las capacidades de DirectX 12.
Con Vulkan 1.2 se integraron 23 extensiones adicionales muy usadas en el estándar base. Entre las más importantes destacan los semáforos de línea de tiempo para sincronización (mucho más manejable en escenarios complejos), un modelo de memoria formal que define con precisión cómo se sincronizan operaciones en distintos hilos, y la indexación de descriptores, que permite reutilizar diseños de descriptores con múltiples shaders, algo muy útil cuando se mezclan gráficos y cómputo.
Vulkan 1.3 siguió en esa línea, también integrando un buen puñado de extensiones y centrándose en reducir la fragmentación. Para que un dispositivo se declare compatible con Vulkan 1.3, ciertas características dejan de ser opcionales y pasan a ser obligatorias, lo que facilita que el desarrollador sepa exactamente con qué conjunto de capacidades puede contar. Además, se añadieron mejoras de renderizado dinámico, más estados dinámicos y una API de sincronización refinada, todo ello muy relevante cuando se combinan gráficos con cómputo intensivo.
En paralelo, SPIR-V ha ido avanzando también, pasando por versiones como la 1.3, lo que permite expresar shaders y kernels de cómputo cada vez más complejos y compatibles con distintas APIs de alto nivel.
Ventajas prácticas de Vulkan para gráficos y cómputo
Vulkan se diseñó para ofrecer una serie de ventajas claras sobre APIs anteriores, tanto en gráficos como en cómputo general. Una de las más evidentes es la reducción de la sobrecarga del controlador, que se traduce en menos trabajo en la CPU. Al usar procesamiento por lotes y buffers de comandos, puedes preparar grandes cantidades de trabajo para la GPU de una sola vez.
Otra ventaja es el mejor escalado en CPUs multi-core. DirectX 11 y OpenGL 4 nacieron en una época de CPUs de un solo núcleo y luego fueron parcheadas para funcionar mejor con varios núcleos, pero sus modelos no escalan tan bien. Vulkan fue pensado directamente para que múltiples hilos preparen comandos en paralelo sin pisarse, sacando partido de CPUs con muchos núcleos.
A nivel de memoria y sincronización, Vulkan te da control explícito sobre la gestión de memoria de la GPU y sobre cómo se sincronizan las operaciones. Esto evita sorpresas de comportamiento “mágico” del driver, aunque te obliga a ser mucho más cuidadoso. Para ayudar, en lugar de comprobar errores en tiempo de ejecución como hace OpenGL, Vulkan separa la validación en capas de desarrollo que puedes activar mientras depuras y desactivar en producción para ganar rendimiento.
Otra ventaja importante es que unifica la gestión de núcleos de cómputo y shaders gráficos. Ya no hay que usar, por ejemplo, una API para gráficos y otra para cómputo; tanto el render como el GPGPU viven en el mismo modelo de colas, memoria y descriptores. Esto simplifica mucho proyectos donde gráficos y cómputo están muy entrelazados, como motores de juego modernos, simuladores complejos o aplicaciones de realidad virtual y aumentada.
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