WebAssembly 멀티 스레딩: 공유 메모리를 활용한 병렬 처리로 전 세계 사용자에게 가능성 열기

디지털 환경은 끊임없이 진화하고 있으며 웹 애플리케이션에 대한 성능 및 효율성 요구 수준이 계속 높아지고 있습니다. 전통적으로 웹 브라우저는 단일 스레드 실행 모델에 의해 제한되어 최신 멀티 코어 프로세서의 잠재력을 최대한 활용하는 데 어려움이 있었습니다. 그러나 WebAssembly(Wasm) 멀티 스레딩, 특히 공유 메모리 지원의 출현은 웹에서 병렬 처리에 접근하는 방식을 혁신할 준비가 되어 있습니다. 이러한 발전은 복잡한 과학 시뮬레이션 및 비디오 편집에서 정교한 게임 엔진 및 실시간 데이터 분석에 이르기까지 계산 집약적인 작업에 대한 가능성의 세계를 열어주며, 이 모든 것을 전 세계에서 액세스할 수 있도록 합니다.

WebAssembly의 진화와 병렬 처리의 필요성

스택 기반 가상 머신을 위한 이진 명령어 형식인 WebAssembly는 원래 C, C++ 및 Rust와 같은 언어에 대한 안전하고 이식 가능하며 효율적인 컴파일 대상으로 설계되었습니다. 주요 목표는 성능에 중요한 작업에 대해 JavaScript의 한계를 극복하여 웹 브라우저에서 실행되는 코드에 거의 네이티브 수준의 성능을 제공하는 것이었습니다. Wasm 자체는 상당한 성능 향상을 제공했지만, 진정한 멀티 스레딩이 없다는 것은 계산 요구 사항이 많은 작업조차도 브라우저의 단일 주 스레드에 갇혀 UI 응답성 저하 및 성능 병목 현상을 초래하는 경우가 많다는 것을 의미했습니다.

웹에서 병렬 처리에 대한 요구는 다음과 같은 여러 주요 영역에서 비롯됩니다.

• 과학 컴퓨팅 및 데이터 분석: 전 세계의 연구원과 분석가는 복잡한 계산, 대규모 데이터 세트 처리 및 머신 러닝을 위해 웹 기반 도구에 점점 더 의존하고 있습니다. 병렬 처리는 이러한 작업 속도를 높이는 데 매우 중요합니다.
• 게임 및 인터랙티브 경험: 고화질 게임 및 몰입형 가상/증강 현실 애플리케이션은 그래픽 렌더링, 물리 처리 및 게임 로직 관리를 위해 상당한 처리 능력이 필요합니다. 멀티 스레딩은 이러한 작업을 효율적으로 분산할 수 있습니다.
• 멀티미디어 처리: 비디오 인코딩/디코딩, 이미지 조작 및 오디오 처리는 본질적으로 병렬화 가능한 작업으로, 여러 스레드의 이점을 크게 누릴 수 있습니다.
• 복잡한 시뮬레이션: 날씨 모델링에서 금융 예측에 이르기까지 많은 복잡한 시스템을 병렬 계산을 통해 보다 효과적이고 빠르게 시뮬레이션할 수 있습니다.
• 엔터프라이즈 애플리케이션: 비즈니스 인텔리전스 도구, CRM 시스템 및 기타 데이터 집약적인 애플리케이션은 병렬 처리를 통해 상당한 성능 향상을 얻을 수 있습니다.

이러한 요구 사항을 인식한 WebAssembly 커뮤니티는 강력한 멀티 스레딩 지원을 도입하기 위해 적극적으로 노력해 왔습니다.

WebAssembly 멀티 스레딩: 공유 메모리 모델

WebAssembly 멀티 스레딩의 핵심은 공유 메모리라는 개념을 중심으로 전개됩니다. 각 스레드가 자체 격리된 메모리 공간에서 작동하는 모델(데이터 교환을 위해 명시적 메시지 전달 필요)과 달리 공유 메모리를 사용하면 여러 스레드가 동시에 동일한 메모리 영역에 액세스하고 수정할 수 있습니다. 이 접근 방식은 스레드 간에 데이터가 자주 공유되고 조정되는 작업에 더 효율적인 경우가 많습니다.

WebAssembly 멀티 스레딩의 주요 구성 요소:

• WebAssembly 스레드: 스레드 생성 및 관리를 위한 새로운 명령어 세트의 도입. 여기에는 새 스레드 생성, 동기화 및 수명 주기 관리를 위한 명령어가 포함됩니다.
• SharedArrayBuffer: 일반적인 고정 길이 원시 이진 데이터 버퍼를 나타내는 JavaScript 객체입니다. 결정적으로 SharedArrayBuffer 인스턴스는 여러 작업자(따라서 Wasm 스레드) 간에 공유할 수 있습니다. 이것은 스레드 간에 공유 메모리를 활성화하기 위한 기본 요소입니다.
• 원자성: 원자적 실행을 보장하는 JavaScript 작업 세트입니다. 즉, 이러한 작업은 나눌 수 없으며 중단될 수 없습니다. 원자성은 공유 메모리에 안전하게 액세스하고 수정하여 경합 조건 및 데이터 손상을 방지하는 데 필수적입니다. Atomics.load, Atomics.store, Atomics.add 및 Atomics.wait/Atomics.notify와 같은 작업은 스레드 동기화 및 조정에 매우 중요합니다.
• 메모리 관리: WebAssembly 인스턴스에는 자체 선형 메모리가 있습니다. 이는 연속적인 바이트 배열입니다. 멀티 스레딩을 사용하도록 설정하면 이러한 메모리 인스턴스를 공유할 수 있으므로 스레드가 동일한 데이터에 액세스할 수 있습니다.

작동 방식: 개념적 개요

일반적인 멀티 스레드 WebAssembly 애플리케이션에서:

1. 주 스레드 초기화: 주 JavaScript 스레드는 WebAssembly 모듈을 초기화하고 공유 메모리 공간 역할을 할 SharedArrayBuffer를 만듭니다.
2. 작업자 생성: JavaScript Web Worker가 생성됩니다. 각 작업자는 WebAssembly 모듈을 인스턴스화할 수 있습니다.
3. 메모리 공유: 이전에 생성된 SharedArrayBuffer가 각 작업자에게 전송됩니다. 이를 통해 이러한 작업자 내의 모든 Wasm 인스턴스가 동일한 기본 메모리에 액세스할 수 있습니다.
4. 스레드 생성(Wasm 내): C++, Rust 또는 Go와 같은 언어에서 컴파일된 WebAssembly 코드 자체는 스레드 API(Wasm 스레딩 명령어에 매핑됨)를 사용하여 새 스레드를 생성합니다. 이러한 스레드는 각 작업자의 컨텍스트 내에서 작동하고 제공된 메모리를 공유합니다.
5. 동기화: 스레드는 공유 메모리에 대한 원자적 작업을 사용하여 작업을 통신하고 조정합니다. 여기에는 완료를 알리는 원자적 플래그, 중요한 섹션을 보호하는 잠금 또는 모든 스레드가 진행하기 전에 특정 지점에 도달했는지 확인하는 장벽을 사용하는 것이 포함될 수 있습니다.

큰 이미지 처리 작업을 병렬화해야 하는 시나리오를 고려해 보십시오. 주 스레드는 이미지를 여러 청크로 나눌 수 있습니다. Wasm 모듈을 실행하는 각 작업자 스레드에는 청크가 할당됩니다. 그런 다음 이러한 스레드는 공유 SharedArrayBuffer에서 이미지 데이터를 읽고 처리를 수행하고(예: 필터 적용) 결과를 다른 공유 버퍼에 다시 쓸 수 있습니다. 원자적 작업은 다른 스레드가 다시 쓰는 동안 서로의 결과를 덮어쓰지 않도록 합니다.

공유 메모리를 사용한 WebAssembly 멀티 스레딩의 이점

공유 메모리를 사용한 WebAssembly 멀티 스레딩을 채택하면 다음과 같은 상당한 이점이 있습니다.

• 향상된 성능: 가장 분명한 이점은 여러 CPU 코어를 활용하여 계산 집약적인 작업의 실행 시간을 크게 줄일 수 있다는 것입니다. 이는 다양한 하드웨어 기능을 통해 리소스에 액세스하는 전 세계 사용자 기반에 매우 중요합니다.
• 향상된 응답성: 무거운 계산을 백그라운드 스레드로 오프로드함으로써 주 UI 스레드는 계속 자유롭게 유지되어 작업의 복잡성에 관계없이 부드럽고 응답성이 뛰어난 사용자 환경을 보장합니다.
• 더 넓은 애플리케이션 범위: 이 기술은 정교한 시뮬레이션, AI 모델 추론 및 전문 등급의 창의적 도구와 같이 이전에는 웹 브라우저에서 효율적으로 실행하는 것이 비실용적이거나 불가능했던 복잡한 애플리케이션을 지원합니다.
• 효율적인 데이터 공유: 메시지 전달 모델과 비교할 때 공유 메모리는 스레드 간의 빈번하고 세분화된 데이터 공유 및 동기화가 필요한 워크로드에 더 효율적일 수 있습니다.
• 기존 코드 기반 활용: 개발자는 멀티 스레딩 라이브러리(예: pthreads 또는 Go의 goroutine)를 사용하는 기존 C/C++/Rust/Go 코드 기반을 WebAssembly로 컴파일하여 웹에서 성능이 뛰어난 병렬 코드를 실행할 수 있습니다.

과제 및 고려 사항

엄청난 잠재력에도 불구하고 공유 메모리를 사용한 WebAssembly 멀티 스레딩에는 문제가 없는 것은 아닙니다.

• 브라우저 지원 및 가용성: 지원이 증가하고 있지만 브라우저 호환성에 유의해야 합니다. SharedArrayBuffer와 같은 기능은 보안 문제(예: Spectre 및 Meltdown 취약점)와 관련하여 복잡한 이력을 가지고 있어 일부 브라우저에서 일시적인 제한이 발생했습니다. 개발자는 최신 브라우저 구현에 대한 최신 정보를 유지하고 대체 전략을 고려해야 합니다.
• 동기화의 복잡성: 공유 메모리 관리는 동시성 제어의 고유한 복잡성을 도입합니다. 개발자는 경합 조건, 교착 상태 및 기타 동시성 버그를 방지하기 위해 원자적 작업을 사용하는 데 세심해야 합니다. 이를 위해서는 멀티 스레딩 원리에 대한 강력한 이해가 필요합니다.
• 디버깅: 멀티 스레드 애플리케이션을 디버깅하는 것은 단일 스레드 애플리케이션을 디버깅하는 것보다 훨씬 더 어려울 수 있습니다. 동시 Wasm 코드를 디버깅하기 위한 도구 및 기술은 여전히 발전하고 있습니다.
• 교차 원본 격리: SharedArrayBuffer를 사용하려면 웹 페이지가 특정 교차 원본 격리 헤더(Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin 및 Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp)와 함께 제공되어야 하는 경우가 많습니다. 이는 특히 콘텐츠 전송 네트워크(CDN)에서 호스팅되거나 복잡한 임베딩 시나리오가 있는 애플리케이션의 경우 중요한 배포 고려 사항입니다.
• 성능 튜닝: 최적의 성능을 얻으려면 작업 분할 방법, 스레드 관리 방법 및 데이터 액세스 방법을 신중하게 고려해야 합니다. 비효율적인 동기화 또는 데이터 경합은 병렬 처리의 이점을 무효화할 수 있습니다.

실제 예제 및 사용 사례

공유 메모리를 사용한 WebAssembly 멀티 스레딩이 다양한 지역 및 산업에서 실제 시나리오에 어떻게 적용될 수 있는지 살펴보겠습니다.

1. 과학 시뮬레이션 및 고성능 컴퓨팅(HPC)

시나리오: 유럽의 한 대학에서 기후 모델링을 위한 웹 기반 포털을 개발합니다. 연구원들은 방대한 데이터 세트를 업로드하고 복잡한 시뮬레이션을 실행합니다. 전통적으로 이를 위해서는 전용 서버가 필요했습니다. WebAssembly 멀티 스레딩을 통해 포털은 이제 사용자 로컬 머신의 처리 능력을 활용하여 시뮬레이션을 여러 Wasm 스레드에 분산할 수 있습니다.

구현: C++ 기후 시뮬레이션 라이브러리가 WebAssembly로 컴파일됩니다. JavaScript 프런트엔드는 각 Wasm 모듈을 인스턴스화하는 여러 Web Worker를 만듭니다. SharedArrayBuffer는 시뮬레이션 그리드를 보유합니다. Wasm 내의 스레드는 각 시간 단계에서 계산을 동기화하기 위해 원자적 작업을 사용하여 그리드 값을 공동으로 업데이트합니다. 이를 통해 브라우저 내에서 직접 시뮬레이션 속도가 크게 향상됩니다.

2. 3D 렌더링 및 게임 개발

시나리오: 북미의 한 게임 스튜디오에서 브라우저 기반 3D 게임을 만들고 있습니다. 복잡한 장면 렌더링, 물리 처리 및 AI 로직 관리는 계산 집약적입니다. WebAssembly 멀티 스레딩을 통해 이러한 작업을 여러 스레드에 분산시켜 프레임 속도와 시각적 충실도를 향상시킬 수 있습니다.

구현: 동시성 기능을 활용하는 Rust로 작성된 게임 엔진이 Wasm으로 컴파일됩니다. SharedArrayBuffer를 사용하여 정점 데이터, 텍스처 또는 장면 그래프 정보를 저장할 수 있습니다. 작업자 스레드는 장면의 다른 부분을 로드하거나 병렬로 물리 계산을 수행합니다. 원자적 작업은 렌더링 데이터가 안전하게 업데이트되도록 합니다.

3. 비디오 및 오디오 처리

시나리오: 아시아에 기반을 둔 온라인 비디오 편집 플랫폼을 통해 사용자는 브라우저에서 직접 비디오를 편집하고 렌더링할 수 있습니다. 필터 적용, 트랜스코딩 또는 내보내기와 같은 작업은 시간이 많이 걸립니다. 멀티 스레딩은 사용자가 프로젝트를 완료하는 데 걸리는 시간을 획기적으로 줄일 수 있습니다.

구현: 비디오 조작을 위한 C 라이브러리가 Wasm으로 컴파일됩니다. JavaScript 애플리케이션은 각 비디오 세그먼트를 처리하는 작업자를 만듭니다. SharedArrayBuffer는 원시 비디오 프레임을 저장합니다. Wasm 스레드는 프레임 세그먼트를 읽고 효과를 적용한 다음 처리된 프레임을 다른 공유 버퍼에 다시 씁니다. 원자적 카운터와 같은 동기화 기본 형식을 사용하여 모든 스레드에서 프레임 처리 진행 상황을 추적할 수 있습니다.

4. 데이터 시각화 및 분석

시나리오: 남아메리카의 금융 분석 회사는 대규모 시장 데이터 세트를 시각화하기 위한 웹 애플리케이션을 제공합니다. 수백만 개의 데이터 포인트에 대한 대화형 필터링, 집계 및 차트 작성은 단일 스레드에서 느릴 수 있습니다.

구현: 동시성을 위해 goroutine을 사용하는 Go로 작성된 데이터 처리 라이브러리가 Wasm으로 컴파일됩니다. SharedArrayBuffer는 원시 시장 데이터를 보유합니다. 사용자가 필터를 적용하면 여러 Wasm 스레드가 공유 데이터를 동시에 스캔하고, 집계를 수행하고, 차트 작성을 위한 데이터 구조를 채웁니다. 원자적 작업은 집계된 결과에 대한 스레드로부터 안전한 업데이트를 보장합니다.

시작하기: 구현 단계 및 모범 사례

공유 메모리를 사용하여 WebAssembly 멀티 스레딩을 활용하려면 다음 단계를 따르고 모범 사례를 준수하십시오.

1. 언어 및 컴파일러 선택

멀티 스레딩을 지원하고 WebAssembly 컴파일 대상이 우수한 언어를 선택합니다.

• C/C++: pthreads를 사용하여 Wasm 스레드로 코드를 컴파일할 수 있는 Emscripten과 같은 도구를 사용합니다.
• Rust: Rust의 강력한 동시성 기본 형식과 뛰어난 Wasm 지원은 이를 주요 후보로 만듭니다. rayon 또는 표준 라이브러리의 스레딩과 같은 라이브러리를 사용할 수 있습니다.
• Go: Go의 내장 동시성 모델(goroutine)을 Wasm 스레드로 컴파일할 수 있습니다.

2. 교차 원본 격리를 위해 웹 서버 구성

언급했듯이 SharedArrayBuffer에는 보안을 위해 특정 HTTP 헤더가 필요합니다. 웹 서버가 다음을 보내도록 구성되었는지 확인하십시오.

• Cross-Origin-Opener-Policy: same-origin
• Cross-Origin-Embedder-Policy: require-corp

이러한 헤더는 웹 페이지에 격리된 환경을 만들어 SharedArrayBuffer를 사용할 수 있도록 합니다. 로컬 개발 서버에는 이러한 헤더를 사용하도록 설정하는 옵션이 있는 경우가 많습니다.

3. JavaScript 통합: 작업자 및 SharedArrayBuffer

JavaScript 코드는 다음에 대한 책임이 있습니다.

• 작업자 생성: 작업자 스크립트를 가리키는 Worker 객체를 인스턴스화합니다.
• SharedArrayBuffer 생성: 필요한 크기의 SharedArrayBuffer를 할당합니다.
• 메모리 전송: worker.postMessage()를 사용하여 각 작업자에게 SharedArrayBuffer를 전달합니다. SharedArrayBuffer는 복사되지 않고 참조로 전송됩니다.
• Wasm 로드: 작업자 내에서 컴파일된 WebAssembly 모듈을 로드합니다.
• 메모리 연결: 수신된 SharedArrayBuffer를 WebAssembly 인스턴스의 메모리에 전달합니다.
• 신호 전송 및 조정: postMessage를 사용하여 초기 데이터 및 동기화 신호를 보내고 공유 메모리 내에서 세분화된 제어를 위해 Wasm의 원자적 작업에 의존합니다.

4. WebAssembly 코드: 스레딩 및 원자성

Wasm 모듈 내에서:

• 스레드 생성: 스레드 생성에 대한 적절한 언어별 API를 사용합니다(예: Rust의 std::thread::spawn, C/C++의 pthreads). 이는 WebAssembly의 스레딩 명령에 매핑됩니다.
• 공유 메모리 액세스: 공유 메모리에 대한 참조를 가져옵니다(인스턴스화 중 또는 전역 포인터를 통해 제공되는 경우가 많음).
• 원자성 사용: 공유 데이터에 대한 모든 읽기-수정-쓰기 작업에 대해 원자적 작업을 활용합니다. 사용 가능한 다양한 원자적 작업(로드, 저장, 추가, 빼기, 비교-교환 등)을 이해하고 동기화 요구 사항에 가장 적합한 작업을 선택하십시오.
• 동기화 기본 형식: 언어의 표준 라이브러리가 Wasm에 대해 충분히 추상화하지 않는 경우 원자적 작업을 사용하여 뮤텍스, 세마포어 또는 조건 변수와 같은 동기화 메커니즘을 구현합니다.

5. 디버깅 전략

멀티 스레드 Wasm을 디버깅하는 것은 까다로울 수 있습니다. 다음 접근 방식을 고려하십시오.

• 로깅: Wasm 코드 내에서 강력한 로깅을 구현하여 주 스레드가 읽고 표시할 수 있는 공유 버퍼에 잠재적으로 쓸 수 있습니다. 출력을 구별하기 위해 스레드 ID로 로그에 접두사를 붙입니다.
• 브라우저 개발자 도구: 최신 브라우저 개발자 도구는 작업자 및 어느 정도 멀티 스레드 실행에 대한 디버깅 지원을 개선하고 있습니다.
• 단위 테스트: 통합하기 전에 멀티 스레드 로직의 개별 구성 요소를 격리된 상태에서 철저히 단위 테스트합니다.
• 문제 재현: 동시성 버그를 지속적으로 트리거하는 시나리오를 분리해 보십시오.

6. 성능 프로파일링

브라우저 성능 프로파일링 도구를 사용하여 병목 현상을 식별합니다. 다음을 찾으십시오.

• CPU 활용률: 모든 코어가 효과적으로 활용되고 있는지 확인합니다.
• 스레드 경합: 잠금 또는 원자적 작업에 대한 높은 경합은 실행을 직렬화하고 병렬 처리를 줄일 수 있습니다.
• 메모리 액세스 패턴: 캐시 지역성 및 잘못된 공유는 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

병렬 웹 애플리케이션의 미래

공유 메모리를 사용한 WebAssembly 멀티 스레딩은 웹을 고성능 컴퓨팅 및 복잡한 애플리케이션을 위한 진정으로 유능한 플랫폼으로 만드는 데 중요한 단계입니다. 브라우저 지원이 성숙되고 개발자 도구가 개선됨에 따라 이전에는 네이티브 환경에 국한되었던 정교한 병렬 웹 애플리케이션이 폭발적으로 증가할 것으로 예상할 수 있습니다.

이 기술은 강력한 컴퓨팅 기능에 대한 액세스를 민주화합니다. 위치나 사용하는 운영 체제에 관계없이 전 세계 사용자는 더 빠르고 효율적으로 실행되는 애플리케이션의 이점을 누릴 수 있습니다. 외딴 마을에 있는 학생이 고급 과학 시각화 도구에 액세스하거나 디자이너가 브라우저를 통해 복잡한 3D 모델에서 실시간으로 공동 작업하는 것을 상상해 보십시오. 이것이 WebAssembly 멀티 스레딩이 열어주는 가능성입니다.

memory64, SIMD 및 가비지 컬렉션 통합과 같은 기능을 포함하여 WebAssembly 생태계에서 진행 중인 개발은 기능을 더욱 향상시킵니다. 공유 메모리 및 원자성의 견고한 기반을 기반으로 구축된 멀티 스레딩은 이러한 진화의 초석이며 모든 사람에게 더 강력하고 성능이 뛰어나며 액세스 가능한 웹을 위한 길을 열어줍니다.

결론

공유 메모리를 사용한 WebAssembly 멀티 스레딩은 웹 개발의 패러다임 전환을 나타냅니다. 개발자가 최신 멀티 코어 프로세서의 성능을 활용하여 전례 없는 성능을 제공하고 완전히 새로운 범주의 웹 애플리케이션을 지원할 수 있도록 합니다. 브라우저 호환성 및 동시성 관리와 관련된 문제가 있지만 향상된 성능, 향상된 응답성 및 더 넓은 애플리케이션 범위의 이점은 부인할 수 없습니다. 스레드, SharedArrayBuffer 및 원자성과 같은 핵심 구성 요소를 이해하고 구현 및 디버깅에 대한 모범 사례를 채택함으로써 개발자는 웹에서 병렬 처리의 모든 잠재력을 활용하여 미래를 위한 더 빠르고 유능하며 전 세계적으로 액세스 가능한 애플리케이션을 구축할 수 있습니다.