Programovanie WebGPU: Vysokovýkonná grafika a výpočtové shadery

WebGPU je grafické a výpočtové API novej generácie pre web, navrhnuté tak, aby poskytovalo moderné funkcie a vylepšený výkon v porovnaní s jeho predchodcom, WebGL. Umožňuje vývojárom využiť silu GPU na grafické renderovanie aj na všeobecné výpočty, čím otvára nové možnosti pre webové aplikácie.

Čo je WebGPU?

WebGPU je viac než len grafické API; je to brána k vysokovýkonným výpočtom priamo v prehliadači. Ponúka niekoľko kľúčových výhod:

• Moderné API: Navrhnuté tak, aby zodpovedalo moderným architektúram GPU a využívalo ich schopnosti.
• Výkon: Poskytuje nízkoúrovňový prístup k GPU, čo umožňuje optimalizované renderovacie a výpočtové operácie.
• Multiplatformové: Funguje na rôznych operačných systémoch a v prehliadačoch, čím poskytuje konzistentný vývojársky zážitok.
• Výpočtové shadery: Umožňujú všeobecné výpočty na GPU, čím urýchľujú úlohy ako spracovanie obrazu, fyzikálne simulácie a strojové učenie.
• WGSL (WebGPU Shading Language): Nový jazyk shaderov navrhnutý špeciálne pre WebGPU, ktorý ponúka vylepšenú bezpečnosť a expresivitu v porovnaní s GLSL.

WebGPU vs. WebGL

Hoci WebGL bol dlhé roky štandardom pre webovú grafiku, je založený na starších špecifikáciách OpenGL ES a môže byť obmedzujúci z hľadiska výkonu a funkcií. WebGPU rieši tieto obmedzenia tým, že:

• Explicitná kontrola: Dáva vývojárom priamejšiu kontrolu nad zdrojmi GPU a správou pamäte.
• Asynchrónne operácie: Umožňuje paralelné vykonávanie a znižuje réžiu CPU.
• Moderné funkcie: Podporuje moderné renderovacie techniky ako výpočtové shadery, ray tracing (cez rozšírenia) a pokročilé formáty textúr.
• Znížená réžia ovládačov: Navrhnuté tak, aby minimalizovalo réžiu ovládačov a zlepšilo celkový výkon.

Ako začať s WebGPU

Na začatie programovania s WebGPU budete potrebovať prehliadač, ktorý podporuje toto API. Chrome, Firefox a Safari (Technology Preview) majú čiastočné alebo úplné implementácie. Tu je základný prehľad potrebných krokov:

1. Požiadajte o adaptér: Adaptér predstavuje fyzické GPU alebo softvérovú implementáciu.
2. Požiadajte o zariadenie: Zariadenie je logická reprezentácia GPU, ktorá sa používa na vytváranie zdrojov a vykonávanie príkazov.
3. Vytvorte shadery: Shadery sú programy, ktoré bežia na GPU a vykonávajú renderovacie alebo výpočtové operácie. Sú napísané v jazyku WGSL.
4. Vytvorte buffery a textúry: Buffery ukladajú dáta vrcholov, uniformné dáta a ďalšie dáta používané shadermi. Textúry ukladajú obrazové dáta.
5. Vytvorte renderovací alebo výpočtový pipeline: Pipeline definuje kroky zahrnuté v renderovaní alebo výpočtoch, vrátane použitých shaderov, formátu vstupných a výstupných dát a ďalších parametrov.
6. Vytvorte enkodér príkazov: Enkodér príkazov zaznamenáva príkazy, ktoré má GPU vykonať.
7. Odošlite príkazy: Príkazy sa odošlú na vykonanie do zariadenia.

Príklad: Základné renderovanie trojuholníka

Tu je zjednodušený príklad, ako renderovať trojuholník pomocou WebGPU (pre stručnosť je použitý pseudo-kód):

// 1. Požiadanie o adaptér a zariadenie
const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
const device = await adapter.requestDevice();

// 2. Vytvorenie shaderov (WGSL)
const vertexShaderSource = `
  @vertex
  fn main(@location(0) pos: vec2f) -> @builtin(position) vec4f {
    return vec4f(pos, 0.0, 1.0);
  }
`;

const fragmentShaderSource = `
  @fragment
  fn main() -> @location(0) vec4f {
    return vec4f(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // Červená farba
  }
`;

const vertexShaderModule = device.createShaderModule({ code: vertexShaderSource });
const fragmentShaderModule = device.createShaderModule({ code: fragmentShaderSource });

// 3. Vytvorenie vertex buffera
const vertices = new Float32Array([
  0.0, 0.5,   // Hore
  -0.5, -0.5, // Dole vľavo
  0.5, -0.5   // Dole vpravo
]);

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

// 4. Vytvorenie renderovacieho pipeline-u
const renderPipeline = device.createRenderPipeline({
  vertex: {
    module: vertexShaderModule,
    entryPoint: "main",
    buffers: [{
      arrayStride: 8, // 2 * 4 bajty (float32)
      attributes: [{
        shaderLocation: 0, // @location(0)
        offset: 0,
        format: GPUVertexFormat.float32x2
      }]
    }]
  },
  fragment: {
    module: fragmentShaderModule,
    entryPoint: "main",
    targets: [{
      format: 'bgra8unorm' // Príklad formátu, závisí od canvasu
    }]
  },
  primitive: {
    topology: 'triangle-list' // Kresliť trojuholníky
  },
  layout: 'auto' // Automaticky generovať layout
});

// 5. Získanie kontextu canvasu
const canvas = document.getElementById('webgpu-canvas');
const context = canvas.getContext('webgpu');
context.configure({ device: device, format: 'bgra8unorm' }); // Príklad formátu

// 6. Renderovací priechod
const 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 }, // Vyčistiť na čierno
      loadOp: 'clear',
      storeOp: 'store'
    }]
  };

  const passEncoder = commandEncoder.beginRenderPass(renderPassDescriptor);
  passEncoder.setPipeline(renderPipeline);
  passEncoder.setVertexBuffer(0, vertexBuffer);
  passEncoder.draw(3, 1, 0, 0); // 3 vrcholy, 1 inštancia
  passEncoder.end();

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

  requestAnimationFrame(render);
};

render();

Tento príklad demonštruje základné kroky spojené s renderovaním jednoduchého trojuholníka. Reálne aplikácie budú zahŕňať zložitejšie shadery, dátové štruktúry a renderovacie techniky. Formát `bgra8unorm` v príklade je bežný formát, ale je kľúčové zabezpečiť, aby zodpovedal formátu vášho canvasu pre správne renderovanie. Možno ho budete musieť upraviť na základe vášho špecifického prostredia.

Výpočtové shadery vo WebGPU

Jednou z najvýkonnejších funkcií WebGPU je podpora výpočtových shaderov. Výpočtové shadery vám umožňujú vykonávať všeobecné výpočty na GPU, čo môže výrazne urýchliť úlohy, ktoré sú vhodné na paralelné spracovanie.

Prípady použitia výpočtových shaderov

• Spracovanie obrazu: Aplikovanie filtrov, vykonávanie farebných úprav a generovanie textúr.
• Fyzikálne simulácie: Výpočet pohybu častíc, simulácia dynamiky tekutín a riešenie rovníc.
• Strojové učenie: Trénovanie neurónových sietí, vykonávanie inferencie a spracovanie dát.
• Spracovanie dát: Triedenie, filtrovanie a transformácia veľkých dátových súborov.

Príklad: Jednoduchý výpočtový shader (sčítanie dvoch polí)

Tento príklad demonštruje jednoduchý výpočtový shader, ktorý sčíta dve polia. Predpokladajme, že odovzdávame dva buffery Float32Array ako vstup a tretí, do ktorého sa uložia výsledky.

// WGSL Shader
const computeShaderSource = `
  @group(0) @binding(0) var a: array;
  @group(0) @binding(1) var b: array;
  @group(0) @binding(2) var output: array;

  @compute @workgroup_size(64) // Veľkosť pracovnej skupiny: kľúčová pre výkon
  fn main(@builtin(global_invocation_id) global_id: vec3u) {
    let i = global_id.x;
    output[i] = a[i] + b[i];
  }
`;

// JavaScript kód
const arrayLength = 256; // Pre zjednodušenie musí byť násobkom veľkosti pracovnej skupiny

// Vytvorenie vstupných bufferov
const array1 = new Float32Array(arrayLength);
const array2 = new Float32Array(arrayLength);
const result = new Float32Array(arrayLength);

for (let i = 0; i < arrayLength; i++) {
  array1[i] = Math.random();
  array2[i] = Math.random();
}

const gpuBuffer1 = device.createBuffer({
  size: array1.byteLength,
  usage: GPUBufferUsage.STORAGE | GPUBufferUsage.COPY_DST,
  mappedAtCreation: true
});
new Float32Array(gpuBuffer1.getMappedRange()).set(array1);
gpuBuffer1.unmap();

const gpuBuffer2 = device.createBuffer({
  size: array2.byteLength,
  usage: GPUBufferUsage.STORAGE | GPUBufferUsage.COPY_DST,
  mappedAtCreation: true
});
new Float32Array(gpuBuffer2.getMappedRange()).set(array2);
gpuBuffer2.unmap();

const gpuBufferResult = device.createBuffer({
  size: result.byteLength,
  usage: GPUBufferUsage.STORAGE | GPUBufferUsage.COPY_SRC,
  mappedAtCreation: false
});


const computeShaderModule = device.createShaderModule({ code: computeShaderSource });

const computePipeline = device.createComputePipeline({
  layout: 'auto',
  compute: {
    module: computeShaderModule,
    entryPoint: "main"
  }
});

// Vytvorenie layoutu bind group a bind group (dôležité pre odovzdávanie dát do shadera)
const bindGroup = device.createBindGroup({
  layout: computePipeline.getBindGroupLayout(0), // Dôležité: použiť layout z pipeline-u
  entries: [
    { binding: 0, resource: { buffer: gpuBuffer1 } },
    { binding: 1, resource: { buffer: gpuBuffer2 } },
    { binding: 2, resource: { buffer: gpuBufferResult } }
  ]
});

// Spustenie výpočtového priechodu
const commandEncoder = device.createCommandEncoder();
const passEncoder = commandEncoder.beginComputePass();
passEncoder.setPipeline(computePipeline);
passEncoder.setBindGroup(0, bindGroup);
passEncoder.dispatchWorkgroups(arrayLength / 64); // Spustenie práce
passEncoder.end();

// Skopírovanie výsledku do čitateľného buffera
const readBuffer = device.createBuffer({
  size: result.byteLength,
  usage: GPUBufferUsage.COPY_DST | GPUBufferUsage.MAP_READ
});

commandEncoder.copyBufferToBuffer(gpuBufferResult, 0, readBuffer, 0, result.byteLength);

// Odoslanie príkazov
device.queue.submit([commandEncoder.finish()]);

// Prečítanie výsledku
await readBuffer.mapAsync(GPUMapMode.READ);
const resultArray = new Float32Array(readBuffer.getMappedRange());

console.log("Result: ", resultArray);

readBuffer.unmap();

V tomto príklade:

• Definujeme WGSL výpočtový shader, ktorý sčíta prvky dvoch vstupných polí a uloží výsledok do výstupného poľa.
• Vytvoríme tri úložné buffery na GPU: dva pre vstupné polia a jeden pre výstup.
• Vytvoríme výpočtový pipeline, ktorý špecifikuje výpočtový shader a jeho vstupný bod.
• Vytvoríme bind group, ktorá priradí buffery k vstupným a výstupným premenným shadera.
• Spustíme výpočtový shader a špecifikujeme počet pracovných skupín, ktoré sa majú vykonať. `workgroup_size` v shaderi a parametre `dispatchWorkgroups` sa musia zhodovať pre správne vykonanie. Ak `arrayLength` nie je násobkom `workgroup_size` (v tomto prípade 64), je potrebné v shaderi ošetriť okrajové prípady.
• Príklad kopíruje výsledný buffer z GPU do CPU na kontrolu.

WGSL (WebGPU Shading Language)

WGSL je jazyk shaderov navrhnutý pre WebGPU. Je to moderný, bezpečný a expresívny jazyk, ktorý poskytuje niekoľko výhod oproti GLSL (jazyk shaderov používaný vo WebGL):

• Bezpečnosť: WGSL je navrhnutý tak, aby bol pamäťovo bezpečný a predchádzal bežným chybám v shadroch.
• Expresivita: WGSL podporuje širokú škálu dátových typov a operácií, čo umožňuje zložitú logiku shaderov.
• Prenositeľnosť: WGSL je navrhnutý tak, aby bol prenositeľný medzi rôznymi architektúrami GPU.
• Integrácia: WGSL je úzko integrovaný s WebGPU API, čo poskytuje plynulý vývojársky zážitok.

Kľúčové vlastnosti WGSL

• Silné typovanie: WGSL je silne typovaný jazyk, čo pomáha predchádzať chybám.
• Explicitná správa pamäte: WGSL vyžaduje explicitnú správu pamäte, čo dáva vývojárom väčšiu kontrolu nad zdrojmi GPU.
• Vstavané funkcie: WGSL poskytuje bohatú sadu vstavaných funkcií na vykonávanie bežných grafických a výpočtových operácií.
• Vlastné dátové štruktúry: WGSL umožňuje vývojárom definovať vlastné dátové štruktúry na ukladanie a manipuláciu s dátami.

Príklad: Funkcia v WGSL

// Funkcia v WGSL
fn lerp(a: f32, b: f32, t: f32) -> f32 {
  return a + t * (b - a);
}

Faktory ovplyvňujúce výkon

WebGPU poskytuje výrazné zlepšenie výkonu oproti WebGL, ale je dôležité optimalizovať váš kód, aby ste plne využili jeho schopnosti. Tu sú niektoré kľúčové faktory ovplyvňujúce výkon:

• Minimalizujte komunikáciu medzi CPU a GPU: Znížte množstvo dát prenášaných medzi CPU a GPU. Používajte buffery a textúry na ukladanie dát na GPU a vyhýbajte sa častým aktualizáciám.
• Optimalizujte shadery: Píšte efektívne shadery, ktoré minimalizujú počet inštrukcií a prístupov do pamäte. Na identifikáciu úzkych miest používajte profilovacie nástroje.
• Používajte instancing: Používajte instancing na renderovanie viacerých kópií toho istého objektu s rôznymi transformáciami. To môže výrazne znížiť počet volaní na kreslenie (draw calls).
• Zoskupujte volania na kreslenie (draw calls): Zoskupujte viacero volaní na kreslenie, aby ste znížili réžiu spojenú s odosielaním príkazov na GPU.
• Vyberajte vhodné dátové formáty: Vyberajte dátové formáty, ktoré sú pre GPU efektívne na spracovanie. Napríklad, ak je to možné, používajte čísla s polovičnou presnosťou (f16).
• Optimalizácia veľkosti pracovnej skupiny: Správny výber veľkosti pracovnej skupiny má drastický vplyv na výkon výpočtových shaderov. Vyberajte veľkosti, ktoré zodpovedajú cieľovej architektúre GPU.

Multiplatformový vývoj

WebGPU je navrhnuté ako multiplatformové, ale existujú určité rozdiely medzi rôznymi prehliadačmi a operačnými systémami. Tu je niekoľko tipov pre multiplatformový vývoj:

• Testujte na viacerých prehliadačoch: Testujte svoju aplikáciu na rôznych prehliadačoch, aby ste sa uistili, že funguje správne.
• Používajte detekciu funkcií: Používajte detekciu funkcií na kontrolu dostupnosti špecifických funkcií a prispôsobte svoj kód podľa toho.
• Ošetrite limity zariadenia: Buďte si vedomí limitov zariadenia, ktoré ukladajú rôzne GPU a prehliadače. Napríklad, maximálna veľkosť textúry sa môže líšiť.
• Používajte multiplatformový framework: Zvážte použitie multiplatformového frameworku ako Babylon.js, Three.js alebo PixiJS, ktorý môže pomôcť abstrahovať rozdiely medzi rôznymi platformami.

Ladenie WebGPU aplikácií

Ladenie WebGPU aplikácií môže byť náročné, ale existuje niekoľko nástrojov a techník, ktoré môžu pomôcť:

• Vývojárske nástroje prehliadača: Používajte vývojárske nástroje prehliadača na inšpekciu WebGPU zdrojov, ako sú buffery, textúry a shadery.
• Validačné vrstvy WebGPU: Povoľte validačné vrstvy WebGPU na zachytenie bežných chýb, ako sú prístupy do pamäte mimo hraníc a neplatná syntax shadera.
• Grafické debuggery: Používajte grafický debugger ako RenderDoc alebo NSight Graphics na krokovanie kódu, inšpekciu stavu GPU a profilovanie výkonu. Tieto nástroje často poskytujú podrobné informácie o vykonávaní shadera a využití pamäte.
• Logovanie: Pridajte do svojho kódu logovacie príkazy na sledovanie toku vykonávania a hodnôt premenných. Nadmerné logovanie však môže ovplyvniť výkon, najmä v shadroch.

Pokročilé techniky

Keď už dobre rozumiete základom WebGPU, môžete preskúmať pokročilejšie techniky na vytváranie ešte sofistikovanejších aplikácií.

• Spolupráca výpočtových shaderov s renderovaním: Kombinovanie výpočtových shaderov na predspracovanie dát alebo generovanie textúr s tradičnými renderovacími pipeline-ami na vizualizáciu.
• Ray Tracing (cez rozšírenia): Používanie ray tracingu na vytváranie realistického osvetlenia a odrazov. Možnosti ray tracingu vo WebGPU sú zvyčajne sprístupnené prostredníctvom rozšírení prehliadača.
• Geometry shadery: Používanie geometry shaderov na generovanie novej geometrie na GPU.
• Tessellation shadery: Používanie tessellation shaderov na rozdelenie povrchov a vytváranie detailnejšej geometrie.

Reálne aplikácie WebGPU

WebGPU sa už používa v rôznych reálnych aplikáciách, vrátane:

• Hry: Vytváranie vysokovýkonných 3D hier, ktoré bežia v prehliadači.
• Vizualizácia dát: Vizualizácia veľkých dátových súborov v interaktívnych 3D prostrediach.
• Vedecké simulácie: Simulácia zložitých fyzikálnych javov, ako sú dynamika tekutín a klimatické modely.
• Strojové učenie: Trénovanie a nasadzovanie modelov strojového učenia v prehliadači.
• CAD/CAM: Vývoj aplikácií pre počítačom podporovaný dizajn a výrobu.

Zoberme si napríklad aplikáciu geografického informačného systému (GIS). Pomocou WebGPU môže GIS renderovať zložité 3D modely terénu s vysokým rozlíšením, zahŕňajúce aktualizácie dát v reálnom čase z rôznych zdrojov. To je obzvlášť užitočné pri urbanistickom plánovaní, riadení katastrof a monitorovaní životného prostredia, čo umožňuje špecialistom po celom svete spolupracovať na vizualizáciách bohatých na dáta bez ohľadu na ich hardvérové možnosti.

Budúcnosť WebGPU

WebGPU je stále relatívne nová technológia, ale má potenciál revolučne zmeniť webovú grafiku a výpočty. S dozrievaním API a jeho prijímaním ďalšími prehliadačmi môžeme očakávať vznik ešte inovatívnejších aplikácií.

Budúci vývoj vo WebGPU môže zahŕňať:

• Zlepšený výkon: Neustále optimalizácie API a podkladových implementácií budú ďalej zlepšovať výkon.
• Nové funkcie: Do API budú pridané nové funkcie, ako napríklad ray tracing a mesh shadery.
• Širšie prijatie: Širšie prijatie WebGPU prehliadačmi a vývojármi povedie k väčšiemu ekosystému nástrojov a zdrojov.
• Štandardizácia: Pokračujúce úsilie o štandardizáciu zabezpečí, že WebGPU zostane konzistentným a prenositeľným API.

Záver

WebGPU je výkonné nové API, ktoré odomyká plný potenciál GPU pre webové aplikácie. Poskytovaním moderných funkcií, zlepšeného výkonu a podpory pre výpočtové shadery umožňuje WebGPU vývojárom vytvárať ohromujúcu grafiku a urýchliť širokú škálu výpočtovo náročných úloh. Či už tvoríte hry, vizualizácie dát alebo vedecké simulácie, WebGPU je technológia, ktorú by ste si určite mali pozrieť.

Tento úvod by vám mal pomôcť začať, ale kľúčom k zvládnutiu WebGPU je neustále učenie a experimentovanie. Zostaňte v obraze s najnovšími špecifikáciami, príkladmi a komunitnými diskusiami, aby ste plne využili silu tejto vzrušujúcej technológie. Štandard WebGPU sa rýchlo vyvíja, takže buďte pripravení prispôsobiť svoj kód, keď budú zavedené nové funkcie a objavia sa osvedčené postupy.