WebGPU: Membuka Kinerja Grafis dan Komputasi Berperforma Tinggi di Web

Web telah berevolusi jauh melampaui konten statis dan interaksi sederhana. Saat ini, aplikasi web mendukung simulasi kompleks, game yang imersif, visualisasi data yang canggih, dan bahkan beban kerja pembelajaran mesin. Aplikasi-aplikasi berat ini memerlukan akses ke kekuatan penuh unit pemrosesan grafis (GPU) modern, dan di situlah WebGPU berperan.

Apa itu WebGPU?

WebGPU adalah API web baru yang mengekspos kapabilitas GPU modern untuk rendering grafis tingkat lanjut dan komputasi serbaguna. Ini dirancang sebagai penerus WebGL, mengatasi keterbatasannya dan menyediakan antarmuka yang lebih efisien dan kuat untuk memanfaatkan kapabilitas GPU modern.

Berbeda dengan WebGL, yang didasarkan pada OpenGL ES 3.0, WebGPU dirancang dari awal untuk memanfaatkan fitur dan arsitektur GPU terbaru. Ini menawarkan:

• Peningkatan Performa: WebGPU memberikan performa yang jauh lebih baik daripada WebGL, berkat desain API yang lebih efisien, overhead yang lebih rendah, dan manajemen sumber daya yang dioptimalkan.
• Fitur GPU Modern: WebGPU menyediakan akses ke fitur GPU tingkat lanjut seperti compute shader, yang memungkinkan komputasi serbaguna pada GPU (GPGPU).
• Kompatibilitas Lintas Platform: WebGPU dirancang agar lintas platform, bekerja secara konsisten di berbagai sistem operasi (Windows, macOS, Linux, Android, iOS) dan perangkat.
• Keamanan dan Keselamatan: WebGPU menggabungkan fitur keamanan yang kuat untuk melindungi pengguna dari kode berbahaya dan memastikan keamanan aplikasi web.
• Tahan Masa Depan: WebGPU dirancang agar dapat diperluas, memungkinkannya beradaptasi dengan kemajuan teknologi GPU di masa depan.

Konsep Kunci WebGPU

Memahami konsep inti WebGPU sangat penting untuk mengembangkan aplikasi web berkinerja tinggi. Berikut adalah beberapa komponen penting:

1. Perangkat dan Antrean

Device (perangkat) merepresentasikan koneksi ke GPU. Ini adalah antarmuka utama untuk berinteraksi dengan GPU dan membuat sumber daya. Queue (antrean) digunakan untuk mengirimkan perintah ke GPU untuk dieksekusi.

Contoh:

            // Dapatkan adapter GPU
const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();

// Minta perangkat dari adapter
const device = await adapter.requestDevice();

// Dapatkan antrean untuk mengirimkan perintah
const queue = device.queue;

            

              
                Copy
              
            
          

2. Buffer

Buffer adalah wilayah memori pada GPU yang digunakan untuk menyimpan data. Buffer dapat digunakan untuk menyimpan data vertex, data indeks, data uniform, dan jenis data lain yang diperlukan untuk rendering dan komputasi.

Contoh:

            // Buat buffer untuk data vertex
const vertexBuffer = device.createBuffer({
 size: vertexData.byteLength,
 usage: GPUBufferUsage.VERTEX | GPUBufferUsage.COPY_DST,
 mappedAtCreation: true,
});

// Salin data vertex ke buffer
new Float32Array(vertexBuffer.getMappedRange()).set(vertexData);
vertexBuffer.unmap();

            

              
                Copy
              
            
          

3. Tekstur

Tekstur adalah gambar yang disimpan di GPU. Tekstur digunakan untuk memberikan detail visual pada objek yang dirender dan juga dapat digunakan untuk tujuan lain, seperti menyimpan heightmap atau tabel pencarian.

Contoh:

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

            

              
                Copy
              
            
          

4. Shader dan Pipeline

Shader adalah program yang berjalan di GPU. Shader ditulis dalam Bahasa Shading WebGPU (WGSL) dan bertanggung jawab untuk mengubah data vertex, menghitung warna piksel, dan melakukan operasi grafis lainnya. Sebuah pipeline mendefinisikan keseluruhan proses rendering, termasuk shader yang akan digunakan, format input vertex, dan target render.

Contoh:

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

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

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

// Buat pipeline render
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 Group dan Bind Group Layout

Bind group digunakan untuk mengikat sumber daya, seperti tekstur dan buffer uniform, ke shader. Sebuah bind group layout mendefinisikan struktur dari sebuah bind group, menentukan jenis dan lokasi sumber daya yang diikat.

Contoh:

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

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

            

              
                Copy
              
            
          

6. Render Pass dan Compute Pass

Sebuah render pass mendefinisikan proses rendering grafis ke target render, seperti tekstur atau layar. Sebuah compute pass mendefinisikan proses melakukan komputasi serbaguna di GPU.

Contoh (Render Pass):

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

// Mulai render pass
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();

// Selesaikan command buffer dan kirimkan ke antrean
device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);

            

              
                Copy
              
            
          

Manfaat Menggunakan WebGPU

WebGPU menawarkan banyak keuntungan dibandingkan API grafis web yang ada seperti WebGL, menjadikannya pilihan yang menarik bagi pengembang yang mengerjakan aplikasi web yang berat:

1. Peningkatan Performa

WebGPU dirancang untuk meminimalkan overhead CPU dan memaksimalkan penggunaan GPU, menghasilkan peningkatan performa yang signifikan dibandingkan dengan WebGL. Ini memungkinkan pengembang untuk membuat aplikasi yang lebih kompleks dan memukau secara visual yang berjalan lancar di berbagai perangkat.

Contoh: Tim yang mengembangkan simulasi kota 3D yang kompleks untuk perencanaan kota dapat menggunakan WebGPU untuk merender kota dengan detail dan realisme yang lebih besar, memungkinkan perencana untuk menganalisis pola lalu lintas, mensimulasikan dampak lingkungan, dan memvisualisasikan skenario pengembangan potensial dengan performa yang lebih baik.

2. Akses ke Fitur GPU Modern

WebGPU mengekspos fitur GPU modern seperti compute shader, yang memungkinkan komputasi serbaguna pada GPU (GPGPU). Ini membuka kemungkinan baru untuk aplikasi web, memungkinkan mereka melakukan tugas-tugas seperti pemrosesan gambar, simulasi fisika, dan pembelajaran mesin langsung di GPU.

Contoh: Peneliti yang mengembangkan platform berbasis web untuk analisis citra medis dapat memanfaatkan compute shader WebGPU untuk mempercepat tugas pemrosesan gambar seperti segmentasi, penyaringan, dan registrasi, memungkinkan diagnosis yang lebih cepat dan lebih akurat.

3. Peningkatan Kompatibilitas Lintas Platform

WebGPU dirancang untuk menjadi lintas platform, bekerja secara konsisten di berbagai sistem operasi dan perangkat. Ini menyederhanakan pengembangan dan penerapan, memungkinkan pengembang untuk menargetkan audiens yang lebih luas dengan satu basis kode.

Contoh: Pengembang game yang membuat game online multipemain dapat menggunakan WebGPU untuk memastikan bahwa game berjalan lancar dan konsisten di berbagai platform, terlepas dari apakah pemain menggunakan PC Windows, laptop macOS, tablet Android, atau perangkat iOS.

4. Keamanan yang Ditingkatkan

WebGPU menyertakan fitur keamanan yang kuat untuk melindungi pengguna dari kode berbahaya dan memastikan keamanan aplikasi web. Ini sangat penting untuk aplikasi yang menangani data sensitif atau melakukan operasi kritis.

Contoh: Lembaga keuangan yang mengembangkan platform perdagangan berbasis web dapat mengandalkan fitur keamanan WebGPU untuk melindungi data pengguna dan mencegah akses yang tidak sah, memastikan integritas dan kerahasiaan transaksi keuangan.

5. Tahan Masa Depan

WebGPU dirancang agar dapat diperluas, memungkinkannya beradaptasi dengan kemajuan teknologi GPU di masa depan. Ini memastikan bahwa aplikasi web yang dibangun dengan WebGPU akan tetap kompatibel dengan perangkat keras dan perangkat lunak masa depan, mengurangi kebutuhan akan pembaruan yang mahal dan memakan waktu.

Contoh: Perusahaan perangkat lunak yang mengembangkan alat penyuntingan video profesional dapat mengadopsi WebGPU untuk memanfaatkan fitur dan kapabilitas GPU baru saat tersedia, memastikan bahwa perangkat lunak mereka tetap kompetitif dan memberikan performa terbaik bagi penggunanya.

Kasus Penggunaan WebGPU

WebGPU cocok untuk berbagai aplikasi yang menuntut grafis berkinerja tinggi dan kapabilitas komputasi. Berikut adalah beberapa kasus penggunaan yang patut dicatat:

1. Game

WebGPU memungkinkan pengembang untuk membuat game berbasis web yang lebih memukau secara visual dan imersif dengan performa dan realisme yang lebih baik. Ini memungkinkan teknik rendering yang lebih kompleks, efek shader tingkat lanjut, dan gameplay yang lebih mulus.

Contoh: Mengadaptasi mesin game AAA ke web menggunakan WebAssembly dan WebGPU memungkinkan pengembang untuk mencapai audiens yang lebih luas tanpa mengharuskan pengguna mengunduh dan menginstal aplikasi asli. Sifat lintas platform dari WebGPU memastikan performa yang konsisten di berbagai perangkat dan sistem operasi.

2. Visualisasi Data

WebGPU dapat digunakan untuk membuat visualisasi data interaktif dan dinamis yang dapat menangani set data besar dengan mudah. Ini memungkinkan rendering real-time dari bagan, grafik, dan peta yang kompleks, memungkinkan pengguna untuk menjelajahi dan menganalisis data dengan cara baru.

Contoh: Tim riset ilmiah dapat menggunakan WebGPU untuk memvisualisasikan simulasi kompleks perubahan iklim, memungkinkan mereka untuk menjelajahi skenario yang berbeda dan menganalisis dampak potensial dari berbagai kebijakan. Kemampuan untuk merender set data besar secara real-time memungkinkan peneliti mengidentifikasi pola dan tren yang akan sulit dideteksi menggunakan metode tradisional.

3. Pembelajaran Mesin

WebGPU menyediakan akses ke kapabilitas komputasi GPU, membuatnya cocok untuk mempercepat beban kerja pembelajaran mesin di browser. Ini memungkinkan pengembang untuk melakukan tugas-tugas seperti melatih jaringan saraf, menjalankan inferensi, dan memproses set data besar langsung di GPU.

Contoh: Perusahaan yang mengembangkan layanan pengenalan gambar berbasis web dapat menggunakan WebGPU untuk mempercepat pemrosesan gambar, memungkinkan hasil yang lebih cepat dan lebih akurat. Kemampuan untuk melakukan tugas pembelajaran mesin di browser menghilangkan kebutuhan pengguna untuk mengunggah data ke server, meningkatkan privasi dan keamanan.

4. Komputasi Ilmiah

WebGPU dapat digunakan untuk mempercepat simulasi dan komputasi ilmiah di browser. Ini memungkinkan peneliti untuk melakukan perhitungan kompleks, memvisualisasikan hasil, dan berinteraksi dengan simulasi secara real-time.

Contoh: Peneliti yang mempelajari dinamika molekuler dapat menggunakan WebGPU untuk mensimulasikan perilaku molekul, memungkinkan mereka untuk memahami sifat material dan merancang obat baru. Kemampuan untuk melakukan simulasi di browser menghilangkan kebutuhan akan perangkat lunak dan perangkat keras khusus, memudahkan peneliti untuk berkolaborasi dan berbagi pekerjaan mereka.

5. CAD dan Rekayasa

WebGPU memungkinkan pengembang untuk membuat aplikasi CAD dan rekayasa berbasis web yang dapat menangani model dan simulasi 3D yang kompleks. Ini memungkinkan rendering real-time, pengeditan interaktif, dan kolaborasi di browser.

Contoh: Sebuah firma rekayasa dapat menggunakan WebGPU untuk mengembangkan platform berbasis web untuk merancang dan mensimulasikan sistem mekanis, memungkinkan para insinyur untuk berkolaborasi dalam proyek secara real-time, terlepas dari lokasi mereka. Kemampuan untuk mengakses platform dari perangkat apa pun dengan browser web menghilangkan kebutuhan akan perangkat lunak dan perangkat keras khusus, mengurangi biaya dan meningkatkan efisiensi.

WebGPU vs. WebGL

Meskipun WebGPU dirancang sebagai penerus WebGL, ada beberapa perbedaan utama antara kedua API ini:

• Desain API: WebGPU memiliki desain API yang lebih modern dan efisien dibandingkan dengan WebGL, mengurangi overhead CPU dan meningkatkan pemanfaatan GPU.
• Fitur GPU: WebGPU menyediakan akses ke fitur GPU modern seperti compute shader, yang tidak tersedia di WebGL.
• Performa: WebGPU umumnya menawarkan performa yang jauh lebih baik daripada WebGL, terutama untuk aplikasi yang berat.
• Kompatibilitas Lintas Platform: WebGPU dirancang agar lebih kompatibel lintas platform daripada WebGL, yang dapat menunjukkan inkonsistensi di berbagai implementasi.
• Keselamatan dan Keamanan: WebGPU menggabungkan fitur keamanan yang lebih kuat daripada WebGL.

Pada sebagian besar kasus, WebGPU adalah pilihan yang lebih disukai untuk aplikasi web baru yang memerlukan grafis berkinerja tinggi dan kapabilitas komputasi. Namun, WebGL mungkin masih cocok untuk aplikasi yang lebih sederhana atau ketika kompatibilitas dengan browser lama menjadi perhatian utama.

Bahasa Shading WebGPU (WGSL)

WebGPU menggunakan bahasa shading baru yang disebut WGSL (WebGPU Shading Language). WGSL adalah bahasa modern, aman, dan portabel yang dirancang khusus untuk WebGPU. Bahasa ini terinspirasi oleh bahasa seperti Rust dan HLSL, menawarkan keseimbangan antara performa dan ekspresivitas.

Fitur utama WGSL meliputi:

• Keamanan: WGSL dirancang agar aman dari segi memori dan mencegah kerentanan shader yang umum.
• Portabilitas: WGSL dirancang agar portabel di berbagai arsitektur GPU.
• Ekspresif: WGSL menyediakan serangkaian fitur yang kaya untuk membuat shader yang kompleks.
• Integrasi: WGSL terintegrasi erat dengan API WebGPU.

Mempelajari WGSL sangat penting untuk mengembangkan aplikasi WebGPU. Meskipun mungkin memiliki kurva belajar bagi pengembang yang akrab dengan GLSL (bahasa shading yang digunakan oleh WebGL), manfaat dari keamanan, portabilitas, dan performanya menjadikannya investasi yang berharga.

Memulai dengan WebGPU

Untuk memulai pengembangan dengan WebGPU, Anda memerlukan browser web modern yang mendukung API ini. Chrome, Firefox, dan Safari semuanya memiliki dukungan eksperimental untuk WebGPU. Anda juga memerlukan pemahaman dasar tentang konsep pengembangan web seperti HTML, JavaScript, dan CSS.

Berikut adalah beberapa sumber daya untuk membantu Anda memulai:

• Spesifikasi WebGPU: Spesifikasi resmi WebGPU memberikan gambaran rinci tentang API ini.
• Contoh WebGPU: Banyak contoh WebGPU tersedia secara online, menampilkan berbagai fitur dan teknik.
• Tutorial WebGPU: Banyak tutorial dan artikel tersedia untuk membantu Anda mempelajari dasar-dasar pengembangan WebGPU.
• Forum Komunitas: Forum dan komunitas online dapat memberikan dukungan dan menjawab pertanyaan Anda.

Contoh: Merender Segitiga Sederhana

Berikut adalah contoh sederhana untuk merender segitiga menggunakan WebGPU. Contoh ini berfokus pada langkah-langkah inti dan mengabaikan beberapa penanganan kesalahan dan pengaturan untuk keringkasan. Perhatikan bahwa kode WGSL direpresentasikan secara inline di sini, tetapi dalam aplikasi nyata, biasanya dimuat dari file terpisah atau didefinisikan sebagai konstanta string.

            
async function run() {
  if (!navigator.gpu) {
    console.log("WebGPU tidak didukung di browser ini.");
    return;
  }

  const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
  if (!adapter) {
    console.log("Tidak ditemukan GPUAdapter yang sesuai.");
    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) -> @builtin(position) vec4 {
      return vec4(pos, 0.0, 1.0);
    }
  `;

  const fragmentShaderCode = `
    @fragment
    fn main() -> @location(0) vec4 {
      return vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // Warna merah
    }
  `;

  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 float * 4 byte masing-masing
        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: Atas Tengah
    -0.5, -0.5, // Vertex 2: Bawah Kiri
    0.5, -0.5   // Vertex 3: Bawah Kanan
  ]);

  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); // gambar 3 vertex, 1 instance
    passEncoder.end();

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

    // requestAnimationFrame(render); // Untuk rendering berkelanjutan
  }

  render();
}

run();

            

              
                Copy
              
            
          

Contoh ini menunjukkan langkah-langkah dasar yang terlibat dalam merender segitiga menggunakan WebGPU, termasuk:

• Menginisialisasi adapter dan perangkat GPU.
• Mengonfigurasi kanvas untuk rendering.
• Membuat modul shader untuk vertex dan fragment shader.
• Membuat pipeline render.
• Membuat buffer vertex dan menyalin data vertex ke dalamnya.
• Membuat command encoder dan render pass.
• Mengatur pipeline dan buffer vertex.
• Menggambar segitiga.
• Mengirimkan command buffer ke antrean.

Meskipun contoh ini sederhana, ini memberikan fondasi untuk membangun aplikasi WebGPU yang lebih kompleks.

Masa Depan WebGPU

WebGPU masih merupakan API yang relatif baru, tetapi memiliki potensi untuk merevolusi grafis dan komputasi web. Seiring dengan matangnya dukungan browser untuk WebGPU dan adopsi API yang semakin meluas, kita dapat mengharapkan lahirnya generasi baru aplikasi web yang lebih kuat, imersif, dan memukau secara visual daripada sebelumnya.

Area di mana WebGPU diharapkan akan memberikan dampak signifikan meliputi:

• Game Berbasis Web: WebGPU akan memungkinkan pengembang untuk membuat game berbasis web yang lebih kompleks dan mengesankan secara visual yang menyaingi kualitas game asli.
• Visualisasi Data: WebGPU akan memungkinkan pembuatan visualisasi data yang lebih interaktif dan dinamis yang dapat menangani set data besar dengan mudah.
• Pembelajaran Mesin: WebGPU akan mempercepat beban kerja pembelajaran mesin di browser, memungkinkan aplikasi baru di bidang-bidang seperti pengenalan gambar, pemrosesan bahasa alami, dan analitik prediktif.
• Realitas Virtual dan Tertambah: WebGPU akan memainkan peran kunci dalam memungkinkan pengalaman realitas virtual dan tertambah berbasis web.
• Aplikasi Grafis Profesional: Alat untuk pemodelan 3D, penyuntingan video, dan tugas-tugas intensif grafis lainnya akan mendapat manfaat dari peningkatan performa WebGPU.

Kesimpulan

WebGPU adalah teknologi yang mengubah permainan yang membawa kekuatan GPU modern ke web. Peningkatan performa, akses ke fitur GPU modern, kompatibilitas lintas platform, dan keamanan yang ditingkatkan menjadikannya pilihan yang menarik bagi pengembang yang mengerjakan aplikasi web yang berat. Seiring dengan matangnya WebGPU dan semakin luasnya adopsi, ia berpotensi mengubah web menjadi platform untuk grafis dan komputasi berkinerja tinggi, membuka kemungkinan baru untuk inovasi dan kreativitas.

Rangkullah WebGPU dan buka masa depan pengembangan web!