WebGPU: Slip High-Performance Grafik og Beregning Løs på Webben

Webben har udviklet sig langt ud over statisk indhold og simple interaktioner. I dag driver webapplikationer komplekse simuleringer, fordybende spil, sofistikerede datavisualiseringer og endda maskinlærings-arbejdsbelastninger. Disse krævende applikationer kræver adgang til den fulde kraft af moderne grafikbehandlingsenheder (GPU'er), og det er her, WebGPU kommer ind i billedet.

Hvad er WebGPU?

WebGPU er en ny web-API, der eksponerer moderne GPU-funktioner til avanceret grafikgengivelse og generel beregning. Den er designet til at være en efterfølger til WebGL, der adresserer dens begrænsninger og giver en mere effektiv og kraftfuld grænseflade til at udnytte kapaciteterne i moderne GPU'er.

I modsætning til WebGL, som er baseret på OpenGL ES 3.0, er WebGPU designet fra bunden til at drage fordel af de nyeste GPU-funktioner og -arkitekturer. Det tilbyder:

• Forbedret ydeevne: WebGPU leverer markant bedre ydeevne end WebGL takket være et mere effektivt API-design, reduceret overhead og optimeret ressourcestyring.
• Moderne GPU-funktioner: WebGPU giver adgang til avancerede GPU-funktioner såsom beregningsshaders, som muliggør generel beregning på GPU'en (GPGPU).
• Cross-platform kompatibilitet: WebGPU er designet til at være cross-platform, og fungerer konsekvent på tværs af forskellige operativsystemer (Windows, macOS, Linux, Android, iOS) og enheder.
• Sikkerhed og tryghed: WebGPU inkorporerer robuste sikkerhedsfunktioner for at beskytte brugere mod ondsindet kode og sikre sikkerheden af webapplikationer.
• Fremtidssikring: WebGPU er designet til at være udvidelig, hvilket gør det muligt at tilpasse sig fremtidige fremskridt inden for GPU-teknologi.

Vigtige koncepter i WebGPU

At forstå kernekoncepterne i WebGPU er afgørende for at udvikle højtydende webapplikationer. Her er nogle vigtige komponenter:

1. Enhed og kø

Enheden repræsenterer forbindelsen til GPU'en. Det er den primære grænseflade til interaktion med GPU'en og oprettelse af ressourcer. Køen bruges til at indsende kommandoer til GPU'en for udførelse.

Eksempel:

            // Hent en GPU-adapter
const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();

// Anmod om en enhed fra adapteren
const device = await adapter.requestDevice();

// Få køen til at indsende kommandoer
const queue = device.queue;

            

              
                Copy
              
            
          

2. Buffere

Buffere er hukommelsesområder på GPU'en, der bruges til at gemme data. De kan bruges til at gemme vertexdata, indeksdata, ensartede data og andre typer data, der kræves til gengivelse og beregning.

Eksempel:

            // Opret en buffer til vertexdata
const vertexBuffer = device.createBuffer({
 size: vertexData.byteLength,
 usage: GPUBufferUsage.VERTEX | GPUBufferUsage.COPY_DST,
 mappedAtCreation: true,
});

// Kopier vertexdata til bufferen
new Float32Array(vertexBuffer.getMappedRange()).set(vertexData);
vertexBuffer.unmap();

            

              
                Copy
              
            
          

3. Teksturer

Teksturer er billeder gemt på GPU'en. De bruges til at give visuelle detaljer til gengivne objekter og kan også bruges til andre formål, såsom at gemme højde-kort eller opslagstabeller.

Eksempel:

            // Opret en tekstur
const texture = device.createTexture({
 size: [width, height],
 format: "rgba8unorm",
 usage: GPUTextureUsage.TEXTURE_BINDING | GPUTextureUsage.COPY_DST | GPUTextureUsage.RENDER_ATTACHMENT,
});

            

              
                Copy
              
            
          

4. Shaders og Pipelines

Shaders er programmer, der kører på GPU'en. De er skrevet i WebGPU Shading Language (WGSL) og er ansvarlige for at transformere vertexdata, beregne pixel farver og udføre andre grafiske operationer. En pipeline definerer den overordnede gengivelsesproces, inklusive de shaders, der skal bruges, vertexinputformatet og gengivelsesmålet.

Eksempel:

            // Shader kode (WGSL)
const shaderCode = `
@vertex
fn main(@location(0) pos: vec4<f32>) -> @builtin(position) vec4<f32> {
 return pos;
}

@fragment
fn main() -> @location(0) vec4<f32> {
 return vec4<f32>(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // Rød
}
`;

// Opret et shader modul
const shaderModule = device.createShaderModule({
 code: shaderCode,
});

// Opret en gengivelses pipeline
const pipeline = device.createRenderPipeline({
 layout: "auto",
 vertex: {
 module: shaderModule,
 entryPoint: "main",
 buffers: [
 {
 arrayStride: 16,
 attributes: [
 {
 shaderLocation: 0,
 offset: 0,
 format: "float32x4",
 },
 ],
 },
 ],
 },
 fragment: {
 module: shaderModule,
 entryPoint: "main",
 targets: [
 {
 format: presentationFormat,
 },
 ],
 },
});

            

              
                Copy
              
            
          

5. Bind Grupper og Bind Gruppe Layouts

Bind grupper bruges til at binde ressourcer, såsom teksturer og ensartede buffere, til shaders. Et bind gruppe layout definerer strukturen af en bind gruppe, der angiver typer og placeringer af de bundne ressourcer.

Eksempel:

            // Opret et bind gruppe layout
const bindGroupLayout = device.createBindGroupLayout({
 entries: [
 {
 binding: 0,
 visibility: GPUShaderStage.FRAGMENT,
 texture: {},
 },
 {
 binding: 1,
 visibility: GPUShaderStage.FRAGMENT,
 sampler: {},
 },
 ],
});

// Opret en bind gruppe
const bindGroup = device.createBindGroup({
 layout: bindGroupLayout,
 entries: [
 {
 binding: 0,
 resource: texture.createView(),
 },
 {
 binding: 1,
 resource: sampler,
 },
 ],
});

            

              
                Copy
              
            
          

6. Gengivelsespass og Beregningspass

Et gengivelsespass definerer processen med at gengive grafik til et gengivelsesmål, såsom en tekstur eller skærmen. Et beregningspass definerer processen med at udføre generel beregning på GPU'en.

Eksempel (Gengivelsespass):

            // Opret en gengivelsespass deskriptor
const renderPassDescriptor = {
 colorAttachments: [
 {
 view: context.getCurrentTexture().createView(),
 loadOp: "clear",
 storeOp: "store",
 clearValue: [0.0, 0.0, 0.0, 1.0],
 },
 ],
};

// Start et gengivelsespass
const commandEncoder = device.createCommandEncoder();
const passEncoder = commandEncoder.beginRenderPass(renderPassDescriptor);
passEncoder.setPipeline(pipeline);
passEncoder.setVertexBuffer(0, vertexBuffer);
passEncoder.setBindGroup(0, bindGroup);
passEncoder.draw(3);
passEncoder.end();

// Afslut kommandobufferen og send den til køen
device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);

            

              
                Copy
              
            
          

Fordele ved at bruge WebGPU

WebGPU tilbyder adskillige fordele i forhold til eksisterende webgrafik-API'er som WebGL, hvilket gør det til et overbevisende valg for udviklere, der arbejder med krævende webapplikationer:

1. Forbedret ydeevne

WebGPU er designet til at minimere CPU-overhead og maksimere GPU-udnyttelse, hvilket resulterer i betydelige ydeevneforbedringer sammenlignet med WebGL. Dette giver udviklere mulighed for at oprette mere komplekse og visuelt fantastiske applikationer, der kører problemfrit på en bredere vifte af enheder.

Eksempel: Et team, der udvikler en kompleks 3D bysimulering til byplanlægning, kan bruge WebGPU til at gengive byen med større detaljer og realisme, hvilket gør det muligt for planlæggere at analysere trafikmønstre, simulere miljøpåvirkninger og visualisere potentielle udviklingsscenarier med forbedret ydeevne.

2. Adgang til moderne GPU-funktioner

WebGPU eksponerer moderne GPU-funktioner såsom beregningsshaders, som muliggør generel beregning på GPU'en (GPGPU). Dette åbner nye muligheder for webapplikationer, så de kan udføre opgaver som billedbehandling, fysiksimuleringer og maskinlæring direkte på GPU'en.

Eksempel: Forskere, der udvikler en webbaseret platform til medicinsk billedanalyse, kan udnytte WebGPU's beregningsshaders til at accelerere billedbehandlingsopgaver såsom segmentering, filtrering og registrering, hvilket muliggør hurtigere og mere præcise diagnoser.

3. Forbedret cross-platform kompatibilitet

WebGPU er designet til at være cross-platform, og fungerer konsekvent på tværs af forskellige operativsystemer og enheder. Dette forenkler udvikling og implementering, hvilket giver udviklere mulighed for at målrette et bredere publikum med en enkelt kodebase.

Eksempel: En spiludvikler, der opretter et multiplayer online spil, kan bruge WebGPU til at sikre, at spillet kører problemfrit og konsekvent på forskellige platforme, uanset om spillere bruger Windows-pc'er, macOS-laptops, Android-tablets eller iOS-enheder.

4. Forbedret sikkerhed

WebGPU inkorporerer robuste sikkerhedsfunktioner for at beskytte brugere mod ondsindet kode og sikre sikkerheden af webapplikationer. Dette er især vigtigt for applikationer, der håndterer følsomme data eller udfører kritiske operationer.

Eksempel: En finansiel institution, der udvikler en webbaseret handelsplatform, kan stole på WebGPU's sikkerhedsfunktioner for at beskytte brugerdata og forhindre uautoriseret adgang, hvilket sikrer integriteten og fortroligheden af finansielle transaktioner.

5. Fremtidssikring

WebGPU er designet til at være udvidelig, hvilket gør det muligt at tilpasse sig fremtidige fremskridt inden for GPU-teknologi. Dette sikrer, at webapplikationer bygget med WebGPU forbliver kompatible med fremtidig hardware og software, hvilket reducerer behovet for dyre og tidskrævende opdateringer.

Eksempel: Et softwarefirma, der udvikler et professionelt videoredigeringsværktøj, kan anvende WebGPU til at drage fordel af nye GPU-funktioner og -kapaciteter, efterhånden som de bliver tilgængelige, hvilket sikrer, at deres software forbliver konkurrencedygtig og leverer den bedst mulige ydeevne til sine brugere.

Brugssager for WebGPU

WebGPU er velegnet til en lang række applikationer, der kræver højtydende grafik og beregningskapacitet. Her er nogle bemærkelsesværdige brugssager:

1. Spil

WebGPU giver udviklere mulighed for at oprette mere visuelt fantastiske og fordybende webbaserede spil med forbedret ydeevne og realisme. Det giver mulighed for mere komplekse gengivelsesteknikker, avancerede shader-effekter og mere jævn gameplay.

Eksempel: At portere en AAA-spilmotor til internettet ved hjælp af WebAssembly og WebGPU giver udviklere mulighed for at nå et bredere publikum uden at kræve, at brugerne downloader og installerer native applikationer. WebGPU's cross-platform natur sikrer ensartet ydeevne på tværs af forskellige enheder og operativsystemer.

2. Datavisualisering

WebGPU kan bruges til at oprette interaktive og dynamiske datavisualiseringer, der let kan håndtere store datasæt. Det giver mulighed for realtidsgengivelse af komplekse diagrammer, grafer og kort, hvilket gør det muligt for brugere at udforske og analysere data på nye måder.

Eksempel: Et videnskabeligt forskerteam kan bruge WebGPU til at visualisere komplekse simuleringer af klimaforandringer, hvilket giver dem mulighed for at udforske forskellige scenarier og analysere de potentielle virkninger af forskellige politikker. Evnen til at gengive store datasæt i realtid gør det muligt for forskere at identificere mønstre og tendenser, der ville være vanskelige at opdage ved hjælp af traditionelle metoder.

3. Maskinlæring

WebGPU giver adgang til GPU-beregningsfunktioner, hvilket gør det velegnet til at accelerere maskinlærings-arbejdsbelastninger i browseren. Det giver udviklere mulighed for at udføre opgaver som træning af neurale netværk, køre inferens og behandle store datasæt direkte på GPU'en.

Eksempel: En virksomhed, der udvikler en webbaseret billedgenkendelsestjeneste, kan bruge WebGPU til at accelerere behandlingen af billeder, hvilket muliggør hurtigere og mere nøjagtige resultater. Evnen til at udføre maskinlæringsopgaver i browseren eliminerer behovet for, at brugere uploader data til en server, hvilket forbedrer privatlivets fred og sikkerhed.

4. Videnskabelig beregning

WebGPU kan bruges til at accelerere videnskabelige simuleringer og beregninger i browseren. Det giver forskere mulighed for at udføre komplekse beregninger, visualisere resultater og interagere med simuleringer i realtid.

Eksempel: Forskere, der studerer molekylær dynamik, kan bruge WebGPU til at simulere molekylers adfærd, hvilket giver dem mulighed for at forstå materialers egenskaber og designe nye lægemidler. Evnen til at udføre simuleringer i browseren eliminerer behovet for specialiseret software og hardware, hvilket gør det lettere for forskere at samarbejde og dele deres arbejde.

5. CAD og teknik

WebGPU gør det muligt for udviklere at oprette webbaserede CAD- og ingeniørapplikationer, der kan håndtere komplekse 3D-modeller og simuleringer. Det giver mulighed for realtidsgengivelse, interaktiv redigering og samarbejde i browseren.

Eksempel: Et ingeniørfirma kan bruge WebGPU til at udvikle en webbaseret platform til design og simulering af mekaniske systemer, hvilket giver ingeniører mulighed for at samarbejde om projekter i realtid, uanset deres placering. Evnen til at få adgang til platformen fra enhver enhed med en webbrowser eliminerer behovet for specialiseret software og hardware, hvilket reducerer omkostningerne og forbedrer effektiviteten.

WebGPU vs. WebGL

Selvom WebGPU er designet til at være en efterfølger til WebGL, er der flere væsentlige forskelle mellem de to API'er:

• API-design: WebGPU har et mere moderne og effektivt API-design sammenlignet med WebGL, hvilket reducerer CPU-overhead og forbedrer GPU-udnyttelsen.
• GPU-funktioner: WebGPU giver adgang til moderne GPU-funktioner såsom beregningsshaders, som ikke er tilgængelige i WebGL.
• Ydeevne: WebGPU tilbyder generelt væsentligt bedre ydeevne end WebGL, især til krævende applikationer.
• Cross-platform kompatibilitet: WebGPU er designet til at være mere kompatibel på tværs af platforme end WebGL, som kan udvise uoverensstemmelser på tværs af forskellige implementeringer.
• Sikkerhed og tryghed: WebGPU inkorporerer mere robuste sikkerhedsfunktioner end WebGL.

I de fleste tilfælde er WebGPU det foretrukne valg til nye webapplikationer, der kræver højtydende grafik og beregningsfunktioner. WebGL kan dog stadig være velegnet til enklere applikationer, eller når kompatibilitet med ældre browsere er et primært problem.

The WebGPU Shading Language (WGSL)

WebGPU bruger et nyt shading language kaldet WGSL (WebGPU Shading Language). WGSL er et moderne, sikkert og bærbart sprog designet specifikt til WebGPU. Det er inspireret af sprog som Rust og HLSL og tilbyder en balance mellem ydeevne og udtryksfuldhed.

Vigtige funktioner i WGSL inkluderer:

• Sikkerhed: WGSL er designet til at være hukommelsessikker og forhindre almindelige shader-sårbarheder.
• Bærbarhed: WGSL er designet til at være bærbar på tværs af forskellige GPU-arkitekturer.
• Udtryksfuldhed: WGSL giver et rigt sæt funktioner til at oprette komplekse shaders.
• Integration: WGSL er tæt integreret med WebGPU API'et.

At lære WGSL er afgørende for at udvikle WebGPU-applikationer. Selvom det kan have en læringskurve for udviklere, der er bekendt med GLSL (det shading language, der bruges af WebGL), gør fordelene ved dets sikkerhed, bærbarhed og ydeevne det til en værdifuld investering.

Kom i gang med WebGPU

For at begynde at udvikle med WebGPU skal du bruge en moderne webbrowser, der understøtter API'et. Chrome, Firefox og Safari har alle eksperimentel understøttelse af WebGPU. Du har også brug for en grundlæggende forståelse af webudviklingskoncepter som HTML, JavaScript og CSS.

Her er nogle ressourcer, der hjælper dig med at komme i gang:

• WebGPU-specifikation: Den officielle WebGPU-specifikation giver et detaljeret overblik over API'et.
• WebGPU-eksempler: Der er mange WebGPU-eksempler tilgængelige online, der viser forskellige funktioner og teknikker.
• WebGPU-tutorials: Mange tutorials og artikler er tilgængelige for at hjælpe dig med at lære det grundlæggende i WebGPU-udvikling.
• Community Forums: Online fora og fællesskaber kan yde support og besvare dine spørgsmål.

Eksempel: En simpel trekantgengivelse

Her er et forenklet eksempel på gengivelse af en trekant ved hjælp af WebGPU. Dette eksempel fokuserer på kernetrinnene og udelader noget fejlhåndtering og opsætning for korthed. Bemærk, at WGSL-kode er repræsenteret inline her, men i en rigtig applikation indlæses den typisk fra en separat fil eller defineres som en strengkonstant.

            
async function run() {
 if (!navigator.gpu) {
 console.log("WebGPU er ikke understøttet i denne browser.");
 return;
 }

 const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
 if (!adapter) {
 console.log("Ingen passende GPUAdapter fundet.");
 return;
 }

 const device = await adapter.requestDevice();

 const canvas = document.getElementById("gpu-canvas");
 const context = canvas.getContext("webgpu");
 const presentationFormat = navigator.gpu.getPreferredCanvasFormat();
 context.configure({
 device: device,
 format: presentationFormat,
 });

 const vertexShaderCode = `
 @vertex
 fn main(@location(0) pos: vec2<f32>) -> @builtin(position) vec4<f32> {
 return vec4<f32>(pos, 0.0, 1.0);
 }
`;

 const fragmentShaderCode = `
 @fragment
 fn main() -> @location(0) vec4<f32> {
 return vec4<f32>(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // Rød farve
 }
`;

 const vertexShaderModule = device.createShaderModule({
 code: vertexShaderCode,
 });

 const fragmentShaderModule = device.createShaderModule({
 code: fragmentShaderCode,
 });

 const pipeline = device.createRenderPipeline({
 layout: 'auto',
 vertex: {
 module: vertexShaderModule,
 entryPoint: "main",
 buffers: [{
 arrayStride: 8, // 2 floats * 4 bytes each
 attributes: [{
 shaderLocation: 0, // @location(0)
 offset: 0,
 format: "float32x2",
 }]
 }]
 },
 fragment: {
 module: fragmentShaderModule,
 entryPoint: "main",
 targets: [{
 format: presentationFormat
 }]
 },
 primitive: {
 topology: "triangle-list"
 }
 });

 const vertices = new Float32Array([
 0.0, 0.5, // Vertex 1: Top Center
 -0.5, -0.5, // Vertex 2: Bottom Left
 0.5, -0.5 // Vertex 3: Bottom Right
 ]);

 const vertexBuffer = device.createBuffer({
 size: vertices.byteLength,
 usage: GPUBufferUsage.VERTEX | GPUBufferUsage.COPY_DST,
 mappedAtCreation: true,
 });
 new Float32Array(vertexBuffer.getMappedRange()).set(vertices);
 vertexBuffer.unmap();


 function render() {
 const commandEncoder = device.createCommandEncoder();
 const textureView = context.getCurrentTexture().createView();
 const renderPassDescriptor = {
 colorAttachments: [{
 view: textureView,
 clearValue: { r: 0.0, g: 0.0, b: 0.0, a: 1.0 },
 loadOp: "clear",
 storeOp: "store",
 }],
 };

 const passEncoder = commandEncoder.beginRenderPass(renderPassDescriptor);
 passEncoder.setPipeline(pipeline);
 passEncoder.setVertexBuffer(0, vertexBuffer);
 passEncoder.draw(3, 1, 0, 0); // draw 3 vertices, 1 instance
 passEncoder.end();

 device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);

 // requestAnimationFrame(render); // For continuous rendering
 }

 render();
}

run();

            

              
                Copy
              
            
          

Dette eksempel demonstrerer de grundlæggende trin, der er involveret i at gengive en trekant ved hjælp af WebGPU, herunder:

• Initialisering af GPU-adapteren og enheden.
• Konfiguration af lærredet til gengivelse.
• Oprettelse af shader-moduler til vertex- og fragmentshaders.
• Oprettelse af en gengivelses pipeline.
• Oprettelse af en vertexbuffer og kopiering af vertexdata til den.
• Oprettelse af en kommandokoder og gengivelsespass.
• Indstilling af pipeline og vertexbuffer.
• Tegning af trekanten.
• Indsendelse af kommandobufferen til køen.

Selvom dette eksempel er simpelt, giver det et fundament for at opbygge mere komplekse WebGPU-applikationer.

Fremtiden for WebGPU

WebGPU er stadig en relativt ny API, men den har potentialet til at revolutionere webgrafik og -beregning. Efterhånden som browserstøtten til WebGPU modnes, og API'et bliver mere udbredt, kan vi forvente at se en ny generation af webapplikationer, der er mere kraftfulde, fordybende og visuelt fantastiske end nogensinde før.

Områder, hvor WebGPU forventes at få en betydelig indflydelse, inkluderer:

• Webbaserede spil: WebGPU vil give udviklere mulighed for at oprette mere komplekse og visuelt imponerende webbaserede spil, der konkurrerer med kvaliteten af native spil.
• Datavisualisering: WebGPU vil muliggøre oprettelsen af mere interaktive og dynamiske datavisualiseringer, der let kan håndtere store datasæt.
• Maskinlæring: WebGPU vil accelerere maskinlærings-arbejdsbelastninger i browseren, hvilket muliggør nye applikationer inden for områder som billedgenkendelse, behandling af naturligt sprog og forudsigende analyser.
• Virtuel og augmented reality: WebGPU vil spille en nøglerolle i at muliggøre webbaserede virtuelle og augmented reality-oplevelser.
• Professionelle grafikapplikationer: Værktøjer til 3D-modellering, videoredigering og andre grafikintensive opgaver vil drage fordel af WebGPU's ydeevneforbedringer.

Konklusion

WebGPU er en spilskiftende teknologi, der bringer kraften fra moderne GPU'er til internettet. Den forbedrede ydeevne, adgangen til moderne GPU-funktioner, kompatibilitet på tværs af platforme og forbedret sikkerhed gør den til et overbevisende valg for udviklere, der arbejder med krævende webapplikationer. Efterhånden som WebGPU modnes og bliver mere udbredt, har det potentialet til at forvandle internettet til en platform for højtydende grafik og beregning, der låser op for nye muligheder for innovation og kreativitet.

Omfavn WebGPU og lås fremtiden for webudvikling op!