WebGPU: Slipp løs høyytelsesgrafikk og databehandling på nettet

Nettet har utviklet seg langt utover statisk innhold og enkle interaksjoner. I dag driver webapplikasjoner komplekse simuleringer, oppslukende spill, sofistikerte datavisualiseringer og til og med maskinlæringsarbeidsbelastninger. Disse krevende applikasjonene krever tilgang til den fulle kraften til moderne grafikkprosessorer (GPUer), og det er her WebGPU kommer inn i bildet.

Hva er WebGPU?

WebGPU er et nytt web-API som eksponerer moderne GPU-funksjoner for avansert grafikkrendering og generell databehandling. Den er designet for å være en etterfølger til WebGL, adressere begrensningene og gi et mer effektivt og kraftig grensesnitt for å utnytte mulighetene til moderne GPUer.

I motsetning til WebGL, som er basert på OpenGL ES 3.0, er WebGPU designet fra grunnen av for å dra nytte av de nyeste GPU-funksjonene og arkitekturene. Den tilbyr:

• Forbedret ytelse: WebGPU leverer betydelig bedre ytelse enn WebGL, takket være en mer effektiv API-design, redusert overhead og optimalisert ressursadministrasjon.
• Moderne GPU-funksjoner: WebGPU gir tilgang til avanserte GPU-funksjoner som compute shaders, som muliggjør generell databehandling på GPUen (GPGPU).
• Kryssplattformkompatibilitet: WebGPU er designet for å være kryssplattform, og fungerer konsekvent på tvers av forskjellige operativsystemer (Windows, macOS, Linux, Android, iOS) og enheter.
• Sikkerhet: WebGPU inneholder robuste sikkerhetsfunksjoner for å beskytte brukere mot ondsinnet kode og sikre sikkerheten til webapplikasjoner.
• Fremtidssikring: WebGPU er designet for å være utvidbar, slik at den kan tilpasses fremtidige fremskritt innen GPU-teknologi.

Viktige konsepter i WebGPU

Å forstå kjernekonseptene i WebGPU er avgjørende for å utvikle høyytelses webapplikasjoner. Her er noen viktige komponenter:

1. Enhet og kø

Enheten representerer tilkoblingen til GPUen. Det er det primære grensesnittet for å samhandle med GPUen og opprette ressurser. Køen brukes til å sende kommandoer til GPUen for utførelse.

Eksempel:

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

// Request a device from the adapter
const device = await adapter.requestDevice();

// Get the queue for submitting commands
const queue = device.queue;

            

              
                Copy
              
            
          

2. Buffere

Buffere er minneregioner på GPUen som brukes til å lagre data. De kan brukes til å lagre vertexdata, indeksdata, uniformdata og andre typer data som kreves for rendering og databehandling.

Eksempel:

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

// Copy vertex data to the buffer
new Float32Array(vertexBuffer.getMappedRange()).set(vertexData);
vertexBuffer.unmap();

            

              
                Copy
              
            
          

3. Teksturer

Teksturer er bilder som er lagret på GPUen. De brukes til å gi visuelle detaljer til rendererte objekter og kan også brukes til andre formål, for eksempel å lagre høydemapper eller oppslagstabeller.

Eksempel:

            // Create a texture
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 som kjører på GPUen. De er skrevet i WebGPU Shading Language (WGSL) og er ansvarlige for å transformere vertexdata, beregne pixelfarger og utføre andre grafiske operasjoner. En pipeline definerer den generelle rendereringsprosessen, inkludert shaderne som skal brukes, vertexinndataformatet og rendermålet.

Eksempel:

            // Shader code (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); // Red
}
`;

// Create a shader module
const shaderModule = device.createShaderModule({
 code: shaderCode,
});

// Create a render 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 Groups og Bind Group Layouts

Bind groups brukes til å binde ressurser, for eksempel teksturer og uniformbuffere, til shaders. En bind group layout definerer strukturen til en bind group, og spesifiserer typene og plasseringene til de bundne ressursene.

Eksempel:

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

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

            

              
                Copy
              
            
          

6. Render Passes og Compute Passes

En render pass definerer prosessen med å rendre grafikk til et rendermål, for eksempel en tekstur eller skjermen. En compute pass definerer prosessen med å utføre generell databehandling på GPUen.

Eksempel (Render Pass):

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

// Begin a 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();

// Finish the command buffer and submit it to the queue
device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);

            

              
                Copy
              
            
          

Fordeler med å bruke WebGPU

WebGPU tilbyr en rekke fordeler i forhold til eksisterende webgrafikk-APIer som WebGL, noe som gjør det til et overbevisende valg for utviklere som jobber med krevende webapplikasjoner:

1. Forbedret ytelse

WebGPU er designet for å minimere CPU-overhead og maksimere GPU-utnyttelsen, noe som resulterer i betydelige ytelsesforbedringer sammenlignet med WebGL. Dette lar utviklere lage mer komplekse og visuelt imponerende applikasjoner som kjører jevnt på et bredere spekter av enheter.

Eksempel: Et team som utvikler en kompleks 3D-bysimulering for byplanlegging, kan bruke WebGPU til å rendre byen med større detalj og realisme, slik at planleggere kan analysere trafikkmønstre, simulere miljøpåvirkninger og visualisere potensielle utviklingsscenarier med forbedret ytelse.

2. Tilgang til moderne GPU-funksjoner

WebGPU eksponerer moderne GPU-funksjoner som compute shaders, som muliggjør generell databehandling på GPUen (GPGPU). Dette åpner for nye muligheter for webapplikasjoner, slik at de kan utføre oppgaver som bildebehandling, fysikksimuleringer og maskinlæring direkte på GPUen.

Eksempel: Forskere som utvikler en nettbasert plattform for medisinsk bildeanalyse kan utnytte WebGPUTs compute shaders for å akselerere bildebehandlingsoppgaver som segmentering, filtrering og registrering, noe som muliggjør raskere og mer nøyaktige diagnoser.

3. Forbedret kryssplattformkompatibilitet

WebGPU er designet for å være kryssplattform, og fungerer konsekvent på tvers av forskjellige operativsystemer og enheter. Dette forenkler utvikling og distribusjon, slik at utviklere kan målrette et bredere publikum med en enkelt kodebase.

Eksempel: En spillutvikler som lager et online flerspillerspill kan bruke WebGPU for å sikre at spillet kjører jevnt og konsekvent på forskjellige plattformer, uavhengig av om spillere bruker Windows-PCer, macOS-laptops, Android-nettbrett eller iOS-enheter.

4. Forbedret sikkerhet

WebGPU inneholder robuste sikkerhetsfunksjoner for å beskytte brukere mot ondsinnet kode og sikre sikkerheten til webapplikasjoner. Dette er spesielt viktig for applikasjoner som håndterer sensitive data eller utfører kritiske operasjoner.

Eksempel: En finansinstitusjon som utvikler en nettbasert handelsplattform kan stole på WebGPUTs sikkerhetsfunksjoner for å beskytte brukerdata og forhindre uautorisert tilgang, og sikre integriteten og konfidensialiteten til finansielle transaksjoner.

5. Fremtidssikring

WebGPU er designet for å være utvidbar, slik at den kan tilpasses fremtidige fremskritt innen GPU-teknologi. Dette sikrer at webapplikasjoner bygget med WebGPU vil forbli kompatible med fremtidig maskinvare og programvare, noe som reduserer behovet for kostbare og tidkrevende oppdateringer.

Eksempel: Et programvareselskap som utvikler et profesjonelt videoredigeringsverktøy kan ta i bruk WebGPU for å dra nytte av nye GPU-funksjoner og -muligheter etter hvert som de blir tilgjengelige, og sikre at programvaren deres forblir konkurransedyktig og leverer best mulig ytelse til brukerne sine.

Bruksområder for WebGPU

WebGPU er egnet for et bredt spekter av applikasjoner som krever høyytelses grafikk- og databehandlingsmuligheter. Her er noen bemerkelsesverdige bruksområder:

1. Gaming

WebGPU lar utviklere lage mer visuelt imponerende og oppslukende nettbaserte spill med forbedret ytelse og realisme. Det gir mulighet for mer komplekse renderingsteknikker, avanserte shader-effekter og jevnere spilling.

Eksempel: Å portere en AAA-spillmotor til nettet ved hjelp av WebAssembly og WebGPU lar utviklere nå et bredere publikum uten å kreve at brukere laster ned og installerer native applikasjoner. Kryssplattformnaturen til WebGPU sikrer konsistent ytelse på tvers av forskjellige enheter og operativsystemer.

2. Datavisualisering

WebGPU kan brukes til å lage interaktive og dynamiske datavisualiseringer som enkelt kan håndtere store datasett. Det gir mulighet for sanntidsrendering av komplekse diagrammer, grafer og kart, slik at brukerne kan utforske og analysere data på nye måter.

Eksempel: Et vitenskapelig forskningsteam kan bruke WebGPU til å visualisere komplekse simuleringer av klimaendringer, slik at de kan utforske forskjellige scenarier og analysere de potensielle virkningene av ulike politikker. Evnen til å rendre store datasett i sanntid gjør det mulig for forskere å identifisere mønstre og trender som ville være vanskelige å oppdage ved hjelp av tradisjonelle metoder.

3. Maskinlæring

WebGPU gir tilgang til GPU-databehandlingsmuligheter, noe som gjør det egnet for å akselerere maskinlæringsarbeidsbelastninger i nettleseren. Det lar utviklere utføre oppgaver som å trene nevrale nettverk, kjøre inferens og behandle store datasett direkte på GPUen.

Eksempel: Et selskap som utvikler en nettbasert bildegjenkjennelsestjeneste kan bruke WebGPU til å akselerere behandlingen av bilder, noe som gir raskere og mer nøyaktige resultater. Evnen til å utføre maskinlæringsoppgaver i nettleseren eliminerer behovet for at brukere laster opp data til en server, noe som forbedrer personvernet og sikkerheten.

4. Vitenskapelig databehandling

WebGPU kan brukes til å akselerere vitenskapelige simuleringer og beregninger i nettleseren. Det lar forskere utføre komplekse beregninger, visualisere resultater og samhandle med simuleringer i sanntid.

Eksempel: Forskere som studerer molekylær dynamikk kan bruke WebGPU til å simulere oppførselen til molekyler, slik at de kan forstå egenskapene til materialer og designe nye legemidler. Evnen til å utføre simuleringer i nettleseren eliminerer behovet for spesialisert programvare og maskinvare, noe som gjør det enklere for forskere å samarbeide og dele arbeidet sitt.

5. CAD og ingeniørfag

WebGPU lar utviklere lage nettbaserte CAD- og ingeniørfagsapplikasjoner som kan håndtere komplekse 3D-modeller og simuleringer. Det gir mulighet for sanntidsrendering, interaktiv redigering og samarbeid i nettleseren.

Eksempel: Et ingeniørfirma kan bruke WebGPU til å utvikle en nettbasert plattform for design og simulering av mekaniske systemer, slik at ingeniører kan samarbeide om prosjekter i sanntid, uavhengig av hvor de befinner seg. Evnen til å få tilgang til plattformen fra hvilken som helst enhet med en nettleser eliminerer behovet for spesialisert programvare og maskinvare, noe som reduserer kostnadene og forbedrer effektiviteten.

WebGPU vs. WebGL

Mens WebGPU er designet for å være en etterfølger til WebGL, er det flere viktige forskjeller mellom de to APIene:

• API-design: WebGPU har en mer moderne og effektiv API-design sammenlignet med WebGL, noe som reduserer CPU-overhead og forbedrer GPU-utnyttelsen.
• GPU-funksjoner: WebGPU gir tilgang til moderne GPU-funksjoner som compute shaders, som ikke er tilgjengelige i WebGL.
• Ytelse: WebGPU tilbyr generelt betydelig bedre ytelse enn WebGL, spesielt for krevende applikasjoner.
• Kryssplattformkompatibilitet: WebGPU er designet for å være mer kryssplattformkompatibel enn WebGL, som kan utvise inkonsekvenser på tvers av forskjellige implementeringer.
• Sikkerhet: WebGPU inneholder mer robuste sikkerhetsfunksjoner enn WebGL.

I de fleste tilfeller er WebGPU det foretrukne valget for nye webapplikasjoner som krever høyytelses grafikk- og databehandlingsmuligheter. WebGL kan imidlertid fortsatt være egnet for enklere applikasjoner eller når kompatibilitet med eldre nettlesere er en primær bekymring.

WebGPU Shading Language (WGSL)

WebGPU bruker et nytt shaderingsspråk kalt WGSL (WebGPU Shading Language). WGSL er et moderne, trygt og portabelt språk designet spesielt for WebGPU. Det er inspirert av språk som Rust og HLSL, og tilbyr en balanse mellom ytelse og uttrykksfullhet.

Viktige funksjoner i WGSL inkluderer:

• Sikkerhet: WGSL er designet for å være minnesikkert og forhindre vanlige shader-sårbarheter.
• Portabilitet: WGSL er designet for å være portabelt på tvers av forskjellige GPU-arkitekturer.
• Uttrykksfullhet: WGSL gir et rikt sett med funksjoner for å lage komplekse shaders.
• Integrasjon: WGSL er tett integrert med WebGPU APIet.

Å lære WGSL er avgjørende for å utvikle WebGPU-applikasjoner. Selv om det kan ha en læringskurve for utviklere som er kjent med GLSL (shaderingsspråket som brukes av WebGL), gjør fordelene med sikkerhet, portabilitet og ytelse det til en verdig investering.

Komme i gang med WebGPU

For å begynne å utvikle med WebGPU, trenger du en moderne nettleser som støtter APIet. Chrome, Firefox og Safari har alle eksperimentell støtte for WebGPU. Du trenger også en grunnleggende forståelse av webutviklingskonsepter som HTML, JavaScript og CSS.

Her er noen ressurser som kan hjelpe deg med å komme i gang:

• WebGPU-spesifikasjon: Den offisielle WebGPU-spesifikasjonen gir en detaljert oversikt over APIet.
• WebGPU-eksempler: Tallrike WebGPU-eksempler er tilgjengelige online, og viser forskjellige funksjoner og teknikker.
• WebGPU-veiledninger: Mange veiledninger og artikler er tilgjengelige for å hjelpe deg med å lære det grunnleggende om WebGPU-utvikling.
• Community-fora: Nettfora og fellesskap kan gi støtte og svare på spørsmålene dine.

Eksempel: En enkel trekantrendering

Her er et forenklet eksempel på rendering av en trekant ved hjelp av WebGPU. Dette eksemplet fokuserer på kjernetrinnene og utelater noe feilhåndtering og oppsett for korthets skyld. Vær oppmerksom på at WGSL-kode er representert inline her, men i en ekte applikasjon lastes den vanligvis fra en separat fil eller defineres som en strengkonstant.

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

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

 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: Topp senter
 -0.5, -0.5, // Vertex 2: Nederst til venstre
 0.5, -0.5 // Vertex 3: Nederst til høyre
 ]);

 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 kontinuerlig rendering
 }

 render();
}

run();

            

              
                Copy
              
            
          

Dette eksemplet demonstrerer de grunnleggende trinnene som er involvert i å rendre en trekant ved hjelp av WebGPU, inkludert:

• Initialisere GPU-adapteren og enheten.
• Konfigurere lerretet for rendering.
• Opprette shader-moduler for vertex- og fragment-shaderne.
• Opprette en render pipeline.
• Opprette en vertexbuffer og kopiere vertexdata til den.
• Opprette en kommandoenkoder og render pass.
• Sette pipeline og vertexbuffer.
• Tegne trekanten.
• Sende kommandobufferen til køen.

Selv om dette eksemplet er enkelt, gir det et grunnlag for å bygge mer komplekse WebGPU-applikasjoner.

Fremtiden for WebGPU

WebGPU er fortsatt et relativt nytt API, men det har potensial til å revolusjonere webgrafikk og databehandling. Etter hvert som nettleserstøtten for WebGPU modnes og APIet blir mer utbredt, kan vi forvente å se en ny generasjon webapplikasjoner som er kraftigere, mer oppslukende og visuelt imponerende enn noen gang før.

Områder der WebGPU forventes å ha en betydelig innvirkning inkluderer:

• Nettbaserte spill: WebGPU vil gjøre det mulig for utviklere å lage mer komplekse og visuelt imponerende nettbaserte spill som konkurrerer med kvaliteten på native spill.
• Datavisualisering: WebGPU vil muliggjøre opprettelsen av mer interaktive og dynamiske datavisualiseringer som enkelt kan håndtere store datasett.
• Maskinlæring: WebGPU vil akselerere maskinlæringsarbeidsbelastninger i nettleseren, og muliggjøre nye applikasjoner innen områder som bildegjenkjenning, naturlig språkbehandling og prediktiv analyse.
• Virtuell og augmented reality: WebGPU vil spille en nøkkelrolle i å muliggjøre nettbaserte virtuelle og augmented reality-opplevelser.
• Profesjonelle grafikkapplikasjoner: Verktøy for 3D-modellering, videoredigering og andre grafikkintensive oppgaver vil dra nytte av WebGPUTs ytelsesforbedringer.

Konklusjon

WebGPU er en spillendrende teknologi som bringer kraften til moderne GPUer til nettet. Den forbedrede ytelsen, tilgangen til moderne GPU-funksjoner, kryssplattformkompatibiliteten og forbedrede sikkerheten gjør det til et overbevisende valg for utviklere som jobber med krevende webapplikasjoner. Etter hvert som WebGPU modnes og blir mer utbredt, har det potensial til å transformere nettet til en plattform for høyytelses grafikk og databehandling, og låse opp nye muligheter for innovasjon og kreativitet.

Omfavn WebGPU og lås opp fremtiden for webutvikling!