Neptune と Triton：Linux ホスト上の Wine ゲームを高速化し、Windows ゲスト向けグラフィックスアクセラレーションを実現する

背景と概要

前篇で紹介した Neptune は、ハイパーバイザ境界を超えて Direct3D API をシリアライズし、DXVK よりも高速に Linux ホスト上で Wine ゲームを実行するためのプロトコルです。現在、同プロジェクトは以下の新たな目標へ道筋を切り開いています。

• Triton（トライトン）：QEMU 仮想マシンにフル機能の DirectX 11 サポート をもたらす新しい Windows ドライバの開発
• 真の目標：Windows ゲスト向けのモダンなグラフィックスアクセラレーションの実現

Triton とは？

Neptune が Direct3D API のシリアライズを可能にしたにもかかわらず、まだ完全ではありません。その理由は以下の 2 点です。

なぜ DLL 置換だけでは不十分か？

d3d11.dll

dxgi.dll

• パフォーマンスの問題：GPU のイメージバッファを CPU がコピーする Blitting（位転送） が必要になり、滑らかなデスクトップ体験は得られません。フルスクリーンアプリでのトリックも限界です。
• セキュリティ・互換性：

  d3d11.dll

  は Windows コアコンポーネントのため、システムファイルの置換は検知されやすく、アンチチートソフトウェアにブロックされるリスクがあります。
• 運用の手間：すべてのアプリにファイルをコピーする必要があり、ユーザーフレンドリーではありません。

正解：DDI（デバイスドライバインターフェース）の実装

正しいアプローチは API を実装することではなく、DirectX DDIを直接実装することです。

• 仕組み：アプリケーションが

  d3d11.dll

  で行う「状態追跡」作業を Triton が UMD（ユーザーモードドライバ）で処理し、洗浄されたコマンドストリームを KMD（カーネルモードドライバ）へ送信します。
• Venus の技術基盤：KMD の開発は既に Venus プロジェクトにより完了しています。DirectX API と Vulkan が異なるため通常は別物ですが、Neptune は Venus モデルに基づいているため、高レベルなカーネルインターフェースもそのまま活用可能です。

DDI（デバイスドライバインターフェース）と実装戦略

Windows では UMD 上で DirectX API を受け付け、KMD でハードウェアを制御します。DirectX 11 の DDI 実装は難題でしたが、以下のアプローチで解決しました。

参考とした技術スタック

• Mesa：OpenGL の代替として DirectX 10 UMD を持つが、機能不足のため完全な採用は諦めた（統合事例としての価値あり）。
• VirtualBox：動作する唯一のオープンソース DirectX 11 UMD だが、DDI→バイトコード→Direct3D という中間翻訳層による互換性の問題やライセンス不整合から直接採用を断念しました。ただし、「実装されている DDI」リストなど貴重な洞察を得ました。

DDI から API への逆変換を採用する理由

VirtualBox のような「中間転送フォーマット」アプローチは避け、以下の方法をとります。

1. d3d11.dll

   が Direct3D API を UMD DDI に変換。
2. Triton（UMD）が DDI を再び Direct3D API に逆変換し、KMD に渡す。
   • 利点：Neptune のシリアライズ済みコマンドをそのまま利用でき、ホスト側で追加の解釈処理が不要です。
   • 変換の簡素さ：DDI と API はほぼ対応しており、主にハンドルマッピングと DXBC シェーダコード（DXBC→API）の変換のみ必要です。

DXBC（DirectX バイトコード）への対応

Triton は DDI から API への逆変換を行うため、シェーダーバイトコードをディスアセンブルする必要はありません。しかし、コンパイラ（FXC）が生成するメタデータの再構築が必要です。

• 処理内容：

  d3d11.dll

  が期待するメタデータを、渡される生 DXBC バイトコードから再構築し、ホスト DirectX レンダラーが使用する

  DXContainer

  を合成します。
• 課題：この部分は試行錯誤が多く、最も脆弱性が出やすい箇所です（AI アシスタントによる処理が行われています）。

ホストレンダラでのスワップチェーン処理の進化

Linux 上ではスワップチェーンをホスト側に実装していましたが、Triton ではこのアプローチを見直す必要がありました。

• 問題点：Windows 上の DXGI は UMD と通信し、バックバッファ管理などを独自に行います。ホスト側で追加したスワップチェーンロジックは Windows 環境では無効化されます。
• 解決策：Wine ドライバ（ゲスト Neptune ドライバ）にスワップチェーンロジックを移行しました。
  • ゲストがバックバッファを DMAbuf としてエクスポートし、ホストでインポートする方式へ変更。
  • これにより、ホスト側の複雑性が減り、Venus の設計方針（virglrenderer をクリーンに保つ）と整合します。

macOS への移植と対応

macOS では virglrenderer を動作させる必要がありますが、共有テクスチャや共有フェンスなどの機能実装が課題です。

主要なライブラリとプロジェクト

3 つの DirectX API 実装に対応しています（いずれも Wine 向けですが、機能を拡張して利用）。

• DXVK + MoltenVK：不安定であり、互換性確保に多大な作業が必要。
• DXMT：Vulkan 層を省略し、D3D11 を直接 Metal に翻訳。Wine 向けだが、

  dxmt-native

  というフォークにより共有テクスチャ/フェンスに対応しました。
• D3DMetal (D3DMetal-native)：Apple の Game Porting Toolkit 用実装（Open Source なわけではなく Swizzling/Vtable Patching を使用）。ライセンス制約がありますが、性能向上のために利用可能です。

システム間通信の工夫

virglrenderer は各コンテキストごとに独立したプロセス（

virgl_render_server

共有フェンスの工夫

描画とコンポジットのタイミング同期にはフェンスが必要です。

MTLSharedEventHandle

• CPU 待避時間の最小化：フレーム完了境界でのイベント発生を期待し、レイテンシ増は 1 フェンスに制限。
• エミュレートフェンスの実装：プロデューサーが GPU で共有メモリへタイムライン値を書き込み、消費者 CPU がこれをポーリングして安全なタイミングを検知します。

macOS ビルド手順と構成要素

すべてのコンポーネントは単一のステージングプレフィックスにインストールし、環境変数で互いに接続します。

必須環境変数

export SRC=/path/to/checkouts
export PREFIX=/path/to/prefix
export ANGLE_INC="$SRC/WebKit/Source/ThirdParty/ANGLE/include"
export ANGLE_LIB="$PREFIX/ANGLE.xcarchive/Products/usr/local/lib"

1. ANGLE と libepoxy の構築

QEMU の

-display cocoa

# WebKit (ANGLE) から必要な部分のみクローン
git clone --filter=tree:0 --no-checkout https://github.com/utmapp/WebKit.git "$SRC/WebKit"
git -C "$SRC/WebKit" sparse-checkout init
git -C "$SRC/WebKit" sparse-checkout set Source/ThirdParty/ANGLE Configurations Tools/ccache
git -C "$SRC/WebKit" checkout 6a7f464047e2f6f65fe315aaad5d1ff3229cb7

# ANGLE をビルド
cd "$SRC/WebKit/Source/ThirdParty/ANGLE"
xcodebuild archive \
  -archivePath "$PREFIX/ANGLE" \
  -scheme ANGLE \
  -sdk macosx \
  -arch arm64 \
  -configuration Release \
  WEBCORE_LIBRARY_DIR=/usr/local/lib \
  NORMAL_UMBRELLA_FRAMEWORKS_DIR="" \
  CODE_SIGNING_ALLOWED=NO \
  MACOSX_DEPLOYMENT_TARGET=11.0

# libepoxy をビルド
git clone -b macos-venus https://github.com/utmapp/libepoxy.git "$SRC/libepoxy"
meson setup "$SRC/libepoxy/build" "$SRC/libepoxy" \
  "-Dc_args=-I$ANGLE_INC" \
  -Degl=yes \
  -Dx11=false \
  "--prefix=$PREFIX"
meson install -C "$SRC/libepoxy/build"

2. DXMT のビルド

Wine クロスビルドとして、またはネイティブビルド（単一の

libdxmt-native.dylib

export LLVM15=/path/to/llvm@15
git clone https://github.com/utmapp/dxmt.git "$SRC/dxmt"
cd "$SRC/dxmt"
meson setup build-native \
  "-Dnative_llvm_path=$LLVM15" \
  --buildtype=release \
  "--prefix=$PREFIX"
meson install -C build-native

3. d3dmetal-native のビルド

Apple Silicon 向けに x86_64 ライブラリをビルドし、Rosetta 下で動作させます。

git clone https://github.com/utmapp/d3dmetal-native.git "$SRC/d3dmetal-native"
cd "$SRC/d3dmetal-native"
meson setup build \
  --cross-file build-macos-x86_64.txt \
  -Dtests=disabled \
  "--prefix=$PREFIX"
meson install -C build

注意：

D3DMetal.framework

はバンドルされません。Game Porting Toolkit から取得するか、コンパイル時に

-Ddev_framework_path=...

を指定します。

4. virglrenderer の構築（ユニバーサルバイナリ化）

ネイティブ ARM64 と Rosetta x86_64 の両スライスを融合します。

git clone -b macos-next https://github.com/utmapp/virglrenderer.git "$SRC/virglrenderer"

# ① ネイティブ ARM64 (libdxmt-native.dylib を使用)
meson setup "$SRC/virglrenderer/build-arm64" "$SRC/virglrenderer" \
  "-Dc_args=-I$ANGLE_INC" \
  -Dvenus=true \
  -Dneptune=true \
  -Drender-server-worker=process \
  -Dcheck-gl-errors=false \
  "--pkg-config-path=$PREFIX/lib/pkgconfig" \
  "--prefix=$PREFIX"
meson install -C "$SRC/virglrenderer/build-arm64"
cp "$PREFIX/libexec/virgl_render_server" "$SRC/virglrenderer/virgl_render_server.arm64"

# ② Rosetta x86_64 (libd3dmetal-native.dylib を使用)
# pkgconfig から EGL を無効化し、x86_64 用ディレクトリを準備
cp -R "$PREFIX/lib/pkgconfig" "$PREFIX/lib/pkgconfig-x86_64"
sed -i '' 's/epoxy_has_egl=1/epoxy_has_egl=0/' "$PREFIX/lib/pkgconfig-x86_64/epoxy.pc"

meson setup "$SRC/virglrenderer/build-x86_64" "$SRC/virglrenderer" \
  --cross-file "$SRC/d3dmetal-native/build-macos-x86_64.txt" \
  "-Dc_args=-I$ANGLE_INC" \
  -Dvenus=false \
  -Dneptune=true \
  -Dvtest=false \
  -Drender-server-worker=process \
  -Dcheck-gl-errors=false \
  -Ddefault_library=static \
  "--pkg-config-path=$PREFIX/lib/pkgconfig-x86_64" \
  "--prefix=$PREFIX"
meson compile -C "$SRC/virglrenderer/build-x86_64"

# ③ lipo で融合
lipo -create \
  "$SRC/virglrenderer/virgl_render_server.arm64" \
  "$SRC/virglrenderer/build-x86_64/server/virgl_render_server" \
  -output "$PREFIX/libexec/virgl_render_server"

5. QEMU の設定とインストール

Neptune 機能有効化のため、

virglrenderer

git clone -b utm-edition https://github.com/utmapp/qemu.git "$SRC/qemu"
mkdir -p "$SRC/qemu/build" && cd "$SRC/qemu/build"
PKG_CONFIG_PATH="$PREFIX/lib/pkgconfig" ../configure \
  "--extra-cflags=-I$ANGLE_INC" \
  "--extra-ldflags=-L$ANGLE_LIB" \
  "--prefix=$PREFIX" \
  --target-list=aarch64-softmmu
make -j"$(getconf _NPROCESSORS_ONLN)" install

6. Windows ドライバの構築

Windows マシンまたは VM で以下のソースを実行します（詳細は公式サイト参照）。

• UMD:

  build-mesa

  を使用すると簡素化されます。
• KMD: Neptune プロトコルと連携する専用インターフェースが必要です。
• 注意：開発バージョンは不安定であり、テスト環境以外でのインストールには注意が必要です。

実行と動作確認

Windows ARM64 ゲストで動作します。

sudo

export VM=/path/to/vm                    # ディスクイメージ + EFI 変数ストア
export D3DMETAL=/path/to/D3DMetal.framework
D3DMETAL_FRAMEWORK_PATH="$D3DMETAL" \
DYLD_FALLBACK_LIBRARY_PATH="$PREFIX/lib:$ANGLE_LIB" \
ANGLE_DEFAULT_PLATFORM=metal \
VIRGL_LOG_LEVEL=debug \
"$PREFIX/bin/qemu-system-aarch64" \
  -machine virt \
  -accel hvf,ipa-granule-size=0x1000 \
  -cpu host \
  -smp cpus=4,sockets=1,cores=4,threads=1 \
  -m 4096 \
  -nodefaults \
  -vga none \
  -device virtio-ramfb-gl,hostmem=8G,blob=true,venus=true,neptune=true \
  -display cocoa,gl=es \
  -drive if=pflash,format=raw,unit=0,file.filename="$PREFIX/share/qemu/edk2-aarch64-code.fd",readonly=on \
  -drive if=pflash,unit=1,file.filename="$VM/efi_vars.fd" \
  -device nvme,drive=disk,serial=disk,bootindex=1 \
  -drive if=none,media=disk,id=disk,file.filename="$VM/windows.qcow2",discard=unmap,detect-zeroes=unmap \
  -device nec-usb-xhci,id=usb-bus \
  -device usb-tablet,bus=usb-bus.0 \
  -device usb-kbd,bus=usb-bus.0 \
  -device virtio-net-pci,netdev=net0 \
  -netdev user,id=net0,hostfwd=tcp::2222-:22

グラフィックス関連引数の解説

• -device virtio-ramfb-gl,hostmem=8G,blob=true,venus=true,neptune=true

  • neptune=true

    : Neptune capset を広告（必須）。

  • blob=true

    かつ

    hostmem

    : スキャンアウト用メモリ確保。

  • venus=true

    : さらにゲスト側で Vulkan (Venus) も動作させる場合のオプション。

• -accel hvf,ipa-granule-size=0x1000

  • Venus 用の 4KiB ページ割り当てが必要になるため。

• -display cocoa,gl=es

  • Cocoa ウィンドウを ANGLE/Metal を経由で描画。

主要な環境変数一覧

DYLD_FALLBACK_LIBRARY_PATH

libvirglrenderer

libdxmt-native.dylib

libd3dmetal-native.dylib

RENDER_SERVER_EXEC_PATH

NPT_BACKEND

D3DMETAL_FRAMEWORK_PATH

libd3dmetal-native.dylib

D3DMetal.framework

NPT_WA_FLAGS

VIRGL_LOG_LEVEL

VIRGL_LOG_FILE

ヒント: AI アシスタントにこのページを示し、セットアップの手順を依頼すると効率的に進めることができます。