WebGPU: Sfruttare Grafica e Calcolo ad Alte Prestazioni sul Web

Il web si è evoluto ben oltre i contenuti statici e le semplici interazioni. Oggi, le applicazioni web alimentano simulazioni complesse, giochi coinvolgenti, sofisticate visualizzazioni di dati e persino carichi di lavoro di machine learning. Queste applicazioni esigenti richiedono l'accesso a tutta la potenza delle moderne unità di elaborazione grafica (GPU), ed è qui che entra in gioco WebGPU.

Cos'è WebGPU?

WebGPU è una nuova API web che espone le moderne capacità della GPU per il rendering grafico avanzato e il calcolo per scopi generali. È progettata per essere un successore di WebGL, affrontando i suoi limiti e fornendo un'interfaccia più efficiente e potente per sfruttare le capacità delle moderne GPU.

A differenza di WebGL, che si basa su OpenGL ES 3.0, WebGPU è progettato da zero per sfruttare le ultime funzionalità e architetture GPU. Offre:

• Prestazioni migliorate: WebGPU offre prestazioni significativamente migliori rispetto a WebGL, grazie a un design API più efficiente, un overhead ridotto e una gestione ottimizzata delle risorse.
• Funzionalità GPU moderne: WebGPU fornisce l'accesso a funzionalità GPU avanzate come gli shader di calcolo, che consentono il calcolo per scopi generali sulla GPU (GPGPU).
• Compatibilità multipiattaforma: WebGPU è progettato per essere multipiattaforma, funzionando in modo coerente su diversi sistemi operativi (Windows, macOS, Linux, Android, iOS) e dispositivi.
• Sicurezza: WebGPU incorpora robuste funzionalità di sicurezza per proteggere gli utenti da codice dannoso e garantire la sicurezza delle applicazioni web.
• A prova di futuro: WebGPU è progettato per essere estensibile, consentendogli di adattarsi ai futuri progressi nella tecnologia GPU.

Concetti chiave di WebGPU

Comprendere i concetti fondamentali di WebGPU è fondamentale per lo sviluppo di applicazioni web ad alte prestazioni. Ecco alcuni componenti essenziali:

1. Dispositivo e Coda

Il dispositivo rappresenta la connessione alla GPU. È l'interfaccia principale per interagire con la GPU e creare risorse. La coda viene utilizzata per inviare comandi alla GPU per l'esecuzione.

Esempio:

            // Acquisisci un adattatore GPU
const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();

// Richiedi un dispositivo dall'adattatore
const device = await adapter.requestDevice();

// Ottieni la coda per l'invio di comandi
const queue = device.queue;

            

              
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2. Buffer

I buffer sono aree di memoria sulla GPU utilizzate per memorizzare i dati. Possono essere utilizzati per memorizzare dati di vertice, dati di indice, dati uniformi e altri tipi di dati necessari per il rendering e il calcolo.

Esempio:

            // Crea un buffer per i dati dei vertici
const vertexBuffer = device.createBuffer({
 size: vertexData.byteLength,
 usage: GPUBufferUsage.VERTEX | GPUBufferUsage.COPY_DST,
 mappedAtCreation: true,
});

// Copia i dati dei vertici nel buffer
new Float32Array(vertexBuffer.getMappedRange()).set(vertexData);
vertexBuffer.unmap();

            

              
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3. Texture

Le texture sono immagini memorizzate sulla GPU. Sono utilizzate per fornire dettagli visivi agli oggetti renderizzati e possono anche essere utilizzate per altri scopi, come la memorizzazione di heightmap o tabelle di ricerca.

Esempio:

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

            

              
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4. Shader e Pipeline

Gli shader sono programmi che vengono eseguiti sulla GPU. Sono scritti nel linguaggio di shading WebGPU (WGSL) e sono responsabili della trasformazione dei dati dei vertici, del calcolo dei colori dei pixel e dell'esecuzione di altre operazioni grafiche. Una pipeline definisce l'intero processo di rendering, inclusi gli shader da utilizzare, il formato di input dei vertici e il target di rendering.

Esempio:

            // Codice shader (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); // Rosso
}
`;

// Crea un modulo shader
const shaderModule = device.createShaderModule({
 code: shaderCode,
});

// Crea una pipeline di rendering
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,
 },
 ],
 },
});

            

              
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5. Bind Group e Bind Group Layout

I bind group vengono utilizzati per associare risorse, come texture e buffer uniformi, agli shader. Un bind group layout definisce la struttura di un bind group, specificando i tipi e le posizioni delle risorse associate.

Esempio:

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

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

            

              
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6. Render Pass e Compute Pass

Un render pass definisce il processo di rendering della grafica su un target di rendering, come una texture o lo schermo. Un compute pass definisce il processo di esecuzione di calcoli per scopi generali sulla GPU.

Esempio (Render Pass):

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

// Inizia un 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();

// Termina il buffer di comando e invialo alla coda
device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);

            

              
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Vantaggi dell'utilizzo di WebGPU

WebGPU offre numerosi vantaggi rispetto alle API grafiche web esistenti come WebGL, rendendola una scelta interessante per gli sviluppatori che lavorano su applicazioni web esigenti:

1. Prestazioni migliorate

WebGPU è progettato per ridurre al minimo l'overhead della CPU e massimizzare l'utilizzo della GPU, con conseguenti significativi miglioramenti delle prestazioni rispetto a WebGL. Ciò consente agli sviluppatori di creare applicazioni più complesse e visivamente sbalorditive che funzionano senza problemi su una gamma più ampia di dispositivi.

Esempio: un team che sviluppa una complessa simulazione di una città 3D per la pianificazione urbana può utilizzare WebGPU per renderizzare la città con maggiore dettaglio e realismo, consentendo ai pianificatori di analizzare i modelli di traffico, simulare gli impatti ambientali e visualizzare potenziali scenari di sviluppo con prestazioni migliorate.

2. Accesso alle funzionalità GPU moderne

WebGPU espone le funzionalità GPU moderne come gli shader di calcolo, che consentono il calcolo per scopi generali sulla GPU (GPGPU). Ciò apre nuove possibilità per le applicazioni web, consentendo loro di eseguire attività come l'elaborazione delle immagini, le simulazioni fisiche e il machine learning direttamente sulla GPU.

Esempio: i ricercatori che sviluppano una piattaforma basata sul web per l'analisi di immagini mediche possono sfruttare gli shader di calcolo di WebGPU per accelerare le attività di elaborazione delle immagini come la segmentazione, il filtraggio e la registrazione, consentendo diagnosi più rapide e accurate.

3. Compatibilità multipiattaforma migliorata

WebGPU è progettato per essere multipiattaforma, funzionando in modo coerente su diversi sistemi operativi e dispositivi. Ciò semplifica lo sviluppo e l'implementazione, consentendo agli sviluppatori di rivolgersi a un pubblico più ampio con un'unica base di codice.

Esempio: uno sviluppatore di giochi che crea un gioco multiplayer online può utilizzare WebGPU per garantire che il gioco funzioni senza problemi e in modo coerente su diverse piattaforme, indipendentemente dal fatto che i giocatori utilizzino PC Windows, laptop macOS, tablet Android o dispositivi iOS.

4. Sicurezza migliorata

WebGPU incorpora robuste funzionalità di sicurezza per proteggere gli utenti da codice dannoso e garantire la sicurezza delle applicazioni web. Ciò è particolarmente importante per le applicazioni che gestiscono dati sensibili o eseguono operazioni critiche.

Esempio: un'istituzione finanziaria che sviluppa una piattaforma di trading basata sul web può fare affidamento sulle funzionalità di sicurezza di WebGPU per proteggere i dati degli utenti e prevenire accessi non autorizzati, garantendo l'integrità e la riservatezza delle transazioni finanziarie.

5. A prova di futuro

WebGPU è progettato per essere estensibile, consentendogli di adattarsi ai futuri progressi nella tecnologia GPU. Ciò garantisce che le applicazioni web create con WebGPU rimarranno compatibili con l'hardware e il software futuri, riducendo la necessità di aggiornamenti costosi e dispendiosi in termini di tempo.

Esempio: un'azienda di software che sviluppa uno strumento di editing video professionale può adottare WebGPU per sfruttare le nuove funzionalità e capacità della GPU man mano che diventano disponibili, garantendo che il proprio software rimanga competitivo e offra le migliori prestazioni possibili ai propri utenti.

Casi d'uso per WebGPU

WebGPU è adatto per una vasta gamma di applicazioni che richiedono grafica ad alte prestazioni e capacità di calcolo. Ecco alcuni casi d'uso degni di nota:

1. Giochi

WebGPU consente agli sviluppatori di creare giochi basati sul web più visivamente sbalorditivi e coinvolgenti con prestazioni e realismo migliorati. Consente tecniche di rendering più complesse, effetti shader avanzati e un gameplay più fluido.

Esempio: il porting di un motore di gioco AAA sul web utilizzando WebAssembly e WebGPU consente agli sviluppatori di raggiungere un pubblico più ampio senza richiedere agli utenti di scaricare e installare applicazioni native. La natura multipiattaforma di WebGPU garantisce prestazioni coerenti su diversi dispositivi e sistemi operativi.

2. Visualizzazione dei dati

WebGPU può essere utilizzato per creare visualizzazioni di dati interattive e dinamiche in grado di gestire facilmente set di dati di grandi dimensioni. Consente il rendering in tempo reale di grafici, grafici e mappe complessi, consentendo agli utenti di esplorare e analizzare i dati in nuovi modi.

Esempio: un team di ricerca scientifica può utilizzare WebGPU per visualizzare simulazioni complesse dei cambiamenti climatici, consentendo loro di esplorare diversi scenari e analizzare i potenziali impatti di varie politiche. La capacità di renderizzare set di dati di grandi dimensioni in tempo reale consente ai ricercatori di identificare modelli e tendenze difficili da rilevare utilizzando i metodi tradizionali.

3. Machine Learning

WebGPU fornisce l'accesso alle capacità di calcolo della GPU, rendendolo adatto per accelerare i carichi di lavoro di machine learning nel browser. Consente agli sviluppatori di eseguire attività come l'addestramento di reti neurali, l'esecuzione di inferenze e l'elaborazione di set di dati di grandi dimensioni direttamente sulla GPU.

Esempio: un'azienda che sviluppa un servizio di riconoscimento di immagini basato sul web può utilizzare WebGPU per accelerare l'elaborazione delle immagini, consentendo risultati più rapidi e accurati. La possibilità di eseguire attività di machine learning nel browser elimina la necessità per gli utenti di caricare dati su un server, migliorando la privacy e la sicurezza.

4. Calcolo scientifico

WebGPU può essere utilizzato per accelerare le simulazioni e i calcoli scientifici nel browser. Consente ai ricercatori di eseguire calcoli complessi, visualizzare i risultati e interagire con le simulazioni in tempo reale.

Esempio: i ricercatori che studiano la dinamica molecolare possono utilizzare WebGPU per simulare il comportamento delle molecole, consentendo loro di comprendere le proprietà dei materiali e progettare nuovi farmaci. La possibilità di eseguire simulazioni nel browser elimina la necessità di software e hardware specializzati, facilitando la collaborazione e la condivisione del lavoro da parte dei ricercatori.

5. CAD e Ingegneria

WebGPU consente agli sviluppatori di creare applicazioni CAD e di ingegneria basate sul web in grado di gestire modelli e simulazioni 3D complessi. Consente il rendering in tempo reale, la modifica interattiva e la collaborazione nel browser.

Esempio: uno studio di ingegneria può utilizzare WebGPU per sviluppare una piattaforma basata sul web per la progettazione e la simulazione di sistemi meccanici, consentendo agli ingegneri di collaborare ai progetti in tempo reale, indipendentemente dalla loro posizione. La possibilità di accedere alla piattaforma da qualsiasi dispositivo con un browser web elimina la necessità di software e hardware specializzati, riducendo i costi e migliorando l'efficienza.

WebGPU contro WebGL

Sebbene WebGPU sia progettato per essere un successore di WebGL, ci sono diverse differenze chiave tra le due API:

• Progettazione API: WebGPU presenta un design API più moderno ed efficiente rispetto a WebGL, riducendo l'overhead della CPU e migliorando l'utilizzo della GPU.
• Funzionalità GPU: WebGPU fornisce l'accesso a funzionalità GPU moderne come gli shader di calcolo, che non sono disponibili in WebGL.
• Prestazioni: WebGPU offre generalmente prestazioni significativamente migliori rispetto a WebGL, in particolare per le applicazioni più esigenti.
• Compatibilità multipiattaforma: WebGPU è progettato per essere più compatibile multipiattaforma di WebGL, che può mostrare incoerenze tra diverse implementazioni.
• Sicurezza: WebGPU incorpora funzionalità di sicurezza più robuste rispetto a WebGL.

Nella maggior parte dei casi, WebGPU è la scelta preferita per le nuove applicazioni web che richiedono grafica ad alte prestazioni e capacità di calcolo. Tuttavia, WebGL può ancora essere adatto per applicazioni più semplici o quando la compatibilità con i browser meno recenti è una preoccupazione primaria.

Il linguaggio di shading WebGPU (WGSL)

WebGPU utilizza un nuovo linguaggio di shading chiamato WGSL (WebGPU Shading Language). WGSL è un linguaggio moderno, sicuro e portabile progettato specificamente per WebGPU. È ispirato a linguaggi come Rust e HLSL, offrendo un equilibrio tra prestazioni ed espressività.

Le caratteristiche principali di WGSL includono:

• Sicurezza: WGSL è progettato per essere sicuro per la memoria e prevenire le comuni vulnerabilità degli shader.
• Portabilità: WGSL è progettato per essere portabile su diverse architetture GPU.
• Espressività: WGSL fornisce un ricco set di funzionalità per la creazione di shader complessi.
• Integrazione: WGSL è strettamente integrato con l'API WebGPU.

Imparare WGSL è essenziale per sviluppare applicazioni WebGPU. Sebbene possa avere una curva di apprendimento per gli sviluppatori che hanno familiarità con GLSL (il linguaggio di shading utilizzato da WebGL), i vantaggi della sua sicurezza, portabilità e prestazioni lo rendono un investimento utile.

Primi passi con WebGPU

Per iniziare a sviluppare con WebGPU, avrai bisogno di un browser web moderno che supporti l'API. Chrome, Firefox e Safari hanno tutti un supporto sperimentale per WebGPU. Avrai anche bisogno di una conoscenza di base dei concetti di sviluppo web come HTML, JavaScript e CSS.

Ecco alcune risorse per aiutarti a iniziare:

• Specifiche WebGPU: le specifiche ufficiali di WebGPU forniscono una panoramica dettagliata dell'API.
• Esempi WebGPU: numerosi esempi WebGPU sono disponibili online, mostrando diverse funzionalità e tecniche.
• Tutorial WebGPU: sono disponibili numerosi tutorial e articoli per aiutarti a imparare le basi dello sviluppo WebGPU.
• Forum della community: i forum e le community online possono fornire supporto e rispondere alle tue domande.

Esempio: rendering di un triangolo semplice

Ecco un esempio semplificato di rendering di un triangolo utilizzando WebGPU. Questo esempio si concentra sui passaggi principali e omette alcune gestioni degli errori e configurazioni per brevità. Si noti che il codice WGSL è rappresentato in linea qui, ma in un'applicazione reale, viene tipicamente caricato da un file separato o definito come una costante stringa.

            
async function run() {
 if (!navigator.gpu) {
 console.log("WebGPU non è supportato su questo browser.");
 return;
 }

 const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
 if (!adapter) {
 console.log("Nessun GPUAdapter appropriato trovato.");
 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); // Colore rosso
 }
`;

 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 bytes ciascuno
 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, // Vertice 1: Centro superiore
 -0.5, -0.5, // Vertice 2: In basso a sinistra
 0.5, -0.5 // Vertice 3: In basso a destra
 ]);

 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); // disegna 3 vertici, 1 istanza
 passEncoder.end();

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

 // requestAnimationFrame(render); // Per il rendering continuo
 }

 render();
}

run();

            

              
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Questo esempio dimostra i passaggi di base coinvolti nel rendering di un triangolo utilizzando WebGPU, tra cui:

• Inizializzazione dell'adattatore e del dispositivo GPU.
• Configurazione della tela per il rendering.
• Creazione di moduli shader per gli shader di vertice e frammento.
• Creazione di una pipeline di rendering.
• Creazione di un buffer di vertice e copia dei dati di vertice al suo interno.
• Creazione di un command encoder e render pass.
• Impostazione della pipeline e del buffer di vertice.
• Disegno del triangolo.
• Invio del buffer di comando alla coda.

Sebbene questo esempio sia semplice, fornisce le basi per la creazione di applicazioni WebGPU più complesse.

Il futuro di WebGPU

WebGPU è ancora un'API relativamente nuova, ma ha il potenziale per rivoluzionare la grafica e il calcolo sul web. Man mano che il supporto del browser per WebGPU matura e l'API viene adottata più ampiamente, possiamo aspettarci di vedere una nuova generazione di applicazioni web più potenti, coinvolgenti e visivamente sbalorditive che mai.

Le aree in cui WebGPU dovrebbe avere un impatto significativo includono:

• Giochi basati sul Web: WebGPU consentirà agli sviluppatori di creare giochi basati sul web più complessi e visivamente impressionanti che rivaleggiano con la qualità dei giochi nativi.
• Visualizzazione dei dati: WebGPU consentirà la creazione di visualizzazioni di dati più interattive e dinamiche in grado di gestire facilmente set di dati di grandi dimensioni.
• Machine Learning: WebGPU accelererà i carichi di lavoro di machine learning nel browser, consentendo nuove applicazioni in aree quali il riconoscimento delle immagini, l'elaborazione del linguaggio naturale e l'analisi predittiva.
• Realtà virtuale e aumentata: WebGPU svolgerà un ruolo chiave nell'abilitazione di esperienze di realtà virtuale e aumentata basate sul web.
• Applicazioni grafiche professionali: strumenti per la modellazione 3D, l'editing video e altre attività ad alta intensità grafica trarranno vantaggio dai miglioramenti delle prestazioni di WebGPU.

Conclusione

WebGPU è una tecnologia rivoluzionaria che porta la potenza delle GPU moderne sul web. Le sue prestazioni migliorate, l'accesso a funzionalità GPU moderne, la compatibilità multipiattaforma e la maggiore sicurezza lo rendono una scelta interessante per gli sviluppatori che lavorano su applicazioni web esigenti. Man mano che WebGPU matura e viene adottato più ampiamente, ha il potenziale per trasformare il web in una piattaforma per grafica e calcolo ad alte prestazioni, sbloccando nuove possibilità di innovazione e creatività.

Abbraccia WebGPU e sblocca il futuro dello sviluppo web!