WebGPU: Frigör högpresterande grafik och beräkningar på webben

Webben har utvecklats långt bortom statiskt innehåll och enkla interaktioner. Idag driver webbapplikationer komplexa simuleringar, uppslukande spel, sofistikerade datavisualiseringar och till och med arbetsbelastningar inom maskininlärning. Dessa krävande applikationer kräver tillgång till den fulla kraften hos moderna grafikprocessorer (GPU:er), och det är där WebGPU kommer in i bilden.

Vad är WebGPU?

WebGPU är ett nytt webb-API som exponerar moderna GPU-kapaciteter för avancerad grafisk rendering och allmänna beräkningar. Det är utformat som en efterföljare till WebGL och åtgärdar dess begränsningar genom att erbjuda ett effektivare och kraftfullare gränssnitt för att utnyttja kapaciteten hos moderna GPU:er.

Till skillnad från WebGL, som är baserat på OpenGL ES 3.0, är WebGPU utformat från grunden för att dra nytta av de senaste GPU-funktionerna och arkitekturerna. Det erbjuder:

• Förbättrad prestanda: WebGPU levererar betydligt bättre prestanda än WebGL, tack vare en effektivare API-design, minskad overhead och optimerad resurshantering.
• Moderna GPU-funktioner: WebGPU ger tillgång till avancerade GPU-funktioner som compute shaders, vilka möjliggör allmänna beräkningar på GPU:n (GPGPU).
• Plattformsoberoende kompatibilitet: WebGPU är utformat för att vara plattformsoberoende och fungera konsekvent över olika operativsystem (Windows, macOS, Linux, Android, iOS) och enheter.
• Säkerhet och trygghet: WebGPU innehåller robusta säkerhetsfunktioner för att skydda användare från skadlig kod och säkerställa webbapplikationernas säkerhet.
• Framtidssäkring: WebGPU är utformat för att vara utbyggbart, vilket gör att det kan anpassas till framtida framsteg inom GPU-teknik.

Grundläggande koncept i WebGPU

Att förstå de centrala koncepten i WebGPU är avgörande för att utveckla högpresterande webbapplikationer. Här är några viktiga komponenter:

1. Enhet och kö (Device and Queue)

Enheten representerar anslutningen till GPU:n. Det är det primära gränssnittet för att interagera med GPU:n och skapa resurser. Kön används för att skicka kommandon till GPU:n för exekvering.

Exempel:

            // 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. Buffertar

Buffertar är minnesregioner på GPU:n som används för att lagra data. De kan användas för att lagra vertexdata, indexdata, uniform data och andra typer av data som krävs för rendering och beräkningar.

Exempel:

            // 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. Texturer

Texturer är bilder som lagras på GPU:n. De används för att ge visuella detaljer till renderade objekt och kan även användas för andra ändamål, som att lagra höjdkartor eller uppslagstabeller.

Exempel:

            // 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 och pipelines

Shaders är program som körs på GPU:n. De är skrivna i WebGPU Shading Language (WGSL) och ansvarar för att transformera vertexdata, beräkna pixelfärger och utföra andra grafiska operationer. En pipeline definierar den övergripande renderingsprocessen, inklusive vilka shaders som ska användas, vertex-inmatningsformatet och renderingsmålet.

Exempel:

            // 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-grupper och bind-gruppslayouter

Bind-grupper används för att binda resurser, såsom texturer och uniform-buffertar, till shaders. En bind-gruppslayout definierar strukturen för en bind-grupp och specificerar typerna och platserna för de bundna resurserna.

Exempel:

            // 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. Renderingspass och beräkningspass

Ett renderingspass definierar processen för att rendera grafik till ett renderingsmål, som en textur eller skärmen. Ett beräkningspass definierar processen för att utföra allmänna beräkningar på GPU:n.

Exempel (Renderingspass):

            // 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
              
            
          

Fördelar med att använda WebGPU

WebGPU erbjuder många fördelar jämfört med befintliga webbgrafik-API:er som WebGL, vilket gör det till ett övertygande val för utvecklare som arbetar med krävande webbapplikationer:

1. Förbättrad prestanda

WebGPU är utformat för att minimera CPU-overhead och maximera GPU-utnyttjandet, vilket resulterar i betydande prestandaförbättringar jämfört med WebGL. Detta gör det möjligt för utvecklare att skapa mer komplexa och visuellt imponerande applikationer som körs smidigt på ett bredare utbud av enheter.

Exempel: Ett team som utvecklar en komplex 3D-stadssimulering för stadsplanering kan använda WebGPU för att rendera staden med större detaljrikedom och realism, vilket gör det möjligt för planerare att analysera trafikmönster, simulera miljöpåverkan och visualisera potentiella utvecklingsscenarier med förbättrad prestanda.

2. Tillgång till moderna GPU-funktioner

WebGPU exponerar moderna GPU-funktioner som compute shaders, vilka möjliggör allmänna beräkningar på GPU:n (GPGPU). Detta öppnar nya möjligheter för webbapplikationer och gör det möjligt för dem att utföra uppgifter som bildbehandling, fysiksimuleringar och maskininlärning direkt på GPU:n.

Exempel: Forskare som utvecklar en webbaserad plattform för medicinsk bildanalys kan utnyttja WebGPU:s compute shaders för att accelerera bildbehandlingsuppgifter som segmentering, filtrering och registrering, vilket möjliggör snabbare och mer exakta diagnoser.

3. Förbättrad plattformsoberoende kompatibilitet

WebGPU är utformat för att vara plattformsoberoende och fungera konsekvent över olika operativsystem och enheter. Detta förenklar utveckling och distribution, vilket gör det möjligt för utvecklare att nå en bredare publik med en enda kodbas.

Exempel: En spelutvecklare som skapar ett multiplayer-onlinespel kan använda WebGPU för att säkerställa att spelet körs smidigt och konsekvent på olika plattformar, oavsett om spelarna använder Windows-datorer, macOS-laptops, Android-surfplattor eller iOS-enheter.

4. Förbättrad säkerhet

WebGPU innehåller robusta säkerhetsfunktioner för att skydda användare från skadlig kod och säkerställa webbapplikationers säkerhet. Detta är särskilt viktigt för applikationer som hanterar känslig data eller utför kritiska operationer.

Exempel: En finansiell institution som utvecklar en webbaserad handelsplattform kan förlita sig på WebGPU:s säkerhetsfunktioner för att skydda användardata och förhindra obehörig åtkomst, vilket säkerställer integriteten och konfidentialiteten för finansiella transaktioner.

5. Framtidssäkring

WebGPU är utformat för att vara utbyggbart, vilket gör att det kan anpassas till framtida framsteg inom GPU-teknik. Detta säkerställer att webbapplikationer byggda med WebGPU kommer att förbli kompatibla med framtida hårdvara och mjukvara, vilket minskar behovet av kostsamma och tidskrävande uppdateringar.

Exempel: Ett mjukvaruföretag som utvecklar ett professionellt videoredigeringsverktyg kan anamma WebGPU för att dra nytta av nya GPU-funktioner och kapaciteter när de blir tillgängliga, vilket säkerställer att deras mjukvara förblir konkurrenskraftig och levererar bästa möjliga prestanda till sina användare.

Användningsområden för WebGPU

WebGPU är lämpligt för ett brett spektrum av applikationer som kräver högpresterande grafik och beräkningskapacitet. Här är några anmärkningsvärda användningsområden:

1. Spel

WebGPU gör det möjligt för utvecklare att skapa mer visuellt imponerande och uppslukande webbaserade spel med förbättrad prestanda och realism. Det möjliggör mer komplexa renderingstekniker, avancerade shadereffekter och smidigare spelupplevelser.

Exempel: Att portera en AAA-spelmotor till webben med WebAssembly och WebGPU gör det möjligt för utvecklare att nå en bredare publik utan att kräva att användare laddar ner och installerar inbyggda applikationer. WebGPU:s plattformsoberoende natur säkerställer konsekvent prestanda över olika enheter och operativsystem.

2. Datavisualisering

WebGPU kan användas för att skapa interaktiva och dynamiska datavisualiseringar som enkelt kan hantera stora datamängder. Det möjliggör realtidsrendering av komplexa diagram, grafer och kartor, vilket gör att användare kan utforska och analysera data på nya sätt.

Exempel: Ett vetenskapligt forskningsteam kan använda WebGPU för att visualisera komplexa simuleringar av klimatförändringar, vilket gör det möjligt för dem att utforska olika scenarier och analysera de potentiella effekterna av olika policyer. Förmågan att rendera stora datamängder i realtid gör det möjligt för forskare att identifiera mönster och trender som skulle vara svåra att upptäcka med traditionella metoder.

3. Maskininlärning

WebGPU ger tillgång till GPU-beräkningskapacitet, vilket gör det lämpligt för att accelerera arbetsbelastningar inom maskininlärning i webbläsaren. Det gör det möjligt för utvecklare att utföra uppgifter som att träna neurala nätverk, köra inferens och bearbeta stora datamängder direkt på GPU:n.

Exempel: Ett företag som utvecklar en webbaserad bildigenkänningstjänst kan använda WebGPU för att accelerera bearbetningen av bilder, vilket möjliggör snabbare och mer exakta resultat. Förmågan att utföra maskininlärningsuppgifter i webbläsaren eliminerar behovet för användare att ladda upp data till en server, vilket förbättrar integriteten och säkerheten.

4. Vetenskapliga beräkningar

WebGPU kan användas för att accelerera vetenskapliga simuleringar och beräkningar i webbläsaren. Det gör det möjligt för forskare att utföra komplexa beräkningar, visualisera resultat och interagera med simuleringar i realtid.

Exempel: Forskare som studerar molekylär dynamik kan använda WebGPU för att simulera molekylers beteende, vilket gör det möjligt för dem att förstå materials egenskaper och designa nya läkemedel. Förmågan att utföra simuleringar i webbläsaren eliminerar behovet av specialiserad programvara och hårdvara, vilket gör det lättare för forskare att samarbeta och dela sitt arbete.

5. CAD och ingenjörsvetenskap

WebGPU gör det möjligt för utvecklare att skapa webbaserade CAD- och ingenjörsapplikationer som kan hantera komplexa 3D-modeller och simuleringar. Det möjliggör realtidsrendering, interaktiv redigering och samarbete i webbläsaren.

Exempel: En ingenjörsfirma kan använda WebGPU för att utveckla en webbaserad plattform för att designa och simulera mekaniska system, vilket gör det möjligt för ingenjörer att samarbeta i projekt i realtid, oavsett deras plats. Förmågan att komma åt plattformen från vilken enhet som helst med en webbläsare eliminerar behovet av specialiserad programvara och hårdvara, vilket minskar kostnaderna och förbättrar effektiviteten.

WebGPU jämfört med WebGL

Även om WebGPU är utformat för att vara en efterföljare till WebGL, finns det flera viktiga skillnader mellan de två API:erna:

• API-design: WebGPU har en modernare och effektivare API-design jämfört med WebGL, vilket minskar CPU-overhead och förbättrar GPU-utnyttjandet.
• GPU-funktioner: WebGPU ger tillgång till moderna GPU-funktioner som compute shaders, vilka inte är tillgängliga i WebGL.
• Prestanda: WebGPU erbjuder generellt betydligt bättre prestanda än WebGL, särskilt för krävande applikationer.
• Plattformsoberoende kompatibilitet: WebGPU är utformat för att vara mer plattformsoberoende kompatibelt än WebGL, som kan uppvisa inkonsekvenser mellan olika implementeringar.
• Säkerhet och trygghet: WebGPU innehåller mer robusta säkerhetsfunktioner än WebGL.

I de flesta fall är WebGPU det föredragna valet för nya webbapplikationer som kräver högpresterande grafik och beräkningskapacitet. WebGL kan dock fortfarande vara lämpligt för enklare applikationer eller när kompatibilitet med äldre webbläsare är ett primärt bekymmer.

WebGPU Shading Language (WGSL)

WebGPU använder ett nytt shadingspråk som kallas WGSL (WebGPU Shading Language). WGSL är ett modernt, säkert och portabelt språk designat specifikt för WebGPU. Det är inspirerat av språk som Rust och HLSL och erbjuder en balans mellan prestanda och uttrycksfullhet.

Viktiga funktioner i WGSL inkluderar:

• Säkerhet: WGSL är utformat för att vara minnessäkert och förhindra vanliga sårbarheter i shaders.
• Portabilitet: WGSL är utformat för att vara portabelt över olika GPU-arkitekturer.
• Uttrycksfullhet: WGSL erbjuder en rik uppsättning funktioner för att skapa komplexa shaders.
• Integration: WGSL är tätt integrerat med WebGPU-API:et.

Att lära sig WGSL är avgörande för att utveckla WebGPU-applikationer. Även om det kan ha en inlärningskurva för utvecklare som är bekanta med GLSL (shadingspråket som används av WebGL), gör fördelarna med dess säkerhet, portabilitet och prestanda det till en värdefull investering.

Komma igång med WebGPU

För att börja utveckla med WebGPU behöver du en modern webbläsare som stöder API:et. Chrome, Firefox och Safari har alla experimentellt stöd för WebGPU. Du behöver också en grundläggande förståelse för webbutvecklingskoncept som HTML, JavaScript och CSS.

Här är några resurser som hjälper dig att komma igång:

• WebGPU-specifikationen: Den officiella WebGPU-specifikationen ger en detaljerad översikt över API:et.
• WebGPU-exempel: Många WebGPU-exempel finns tillgängliga online och visar olika funktioner och tekniker.
• WebGPU-handledningar: Många handledningar och artiklar finns tillgängliga för att hjälpa dig lära dig grunderna i WebGPU-utveckling.
• Community-forum: Onlineforum och communities kan ge support och svara på dina frågor.

Exempel: Rendera en enkel triangel

Här är ett förenklat exempel på hur man renderar en triangel med WebGPU. Detta exempel fokuserar på de centrala stegen och utelämnar viss felhantering och installation för korthetens skull. Notera att WGSL-koden representeras inline här, men i en verklig applikation laddas den vanligtvis från en separat fil eller definieras som en strängkonstant.

            
async function run() {
  if (!navigator.gpu) {
    console.log("WebGPU is not supported on this browser.");
    return;
  }

  const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
  if (!adapter) {
    console.log("No appropriate GPUAdapter found.");
    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); // Red color
    }
  `;

  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: Top Center
    -0.5, -0.5, // Vertex 2: Bottom Left
    0.5, -0.5   // Vertex 3: Bottom Right
  ]);

  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 continuous rendering
  }

  render();
}

run();

            

              
                Copy
              
            
          

Detta exempel demonstrerar de grundläggande stegen för att rendera en triangel med WebGPU, inklusive:

• Initiering av GPU-adaptern och enheten.
• Konfigurering av canvas för rendering.
• Skapande av shadermoduler för vertex- och fragment-shaders.
• Skapande av en renderingspipeline.
• Skapande av en vertexbuffert och kopiering av vertexdata till den.
• Skapande av en kommandokodare och ett renderingspass.
• Inställning av pipeline och vertexbuffert.
• Ritning av triangeln.
• Skickande av kommandobufferten till kön.

Även om detta exempel är enkelt, ger det en grund för att bygga mer komplexa WebGPU-applikationer.

Framtiden för WebGPU

WebGPU är fortfarande ett relativt nytt API, men det har potentialen att revolutionera webbgrafik och beräkningar. Allt eftersom webbläsarstödet för WebGPU mognar och API:et blir mer allmänt accepterat, kan vi förvänta oss att se en ny generation webbapplikationer som är kraftfullare, mer uppslukande och visuellt imponerande än någonsin tidigare.

Områden där WebGPU förväntas ha en betydande inverkan inkluderar:

• Webbaserade spel: WebGPU kommer att göra det möjligt för utvecklare att skapa mer komplexa och visuellt imponerande webbaserade spel som kan mäta sig med kvaliteten hos inbyggda spel.
• Datavisualisering: WebGPU kommer att möjliggöra skapandet av mer interaktiva och dynamiska datavisualiseringar som enkelt kan hantera stora datamängder.
• Maskininlärning: WebGPU kommer att accelerera arbetsbelastningar inom maskininlärning i webbläsaren, vilket möjliggör nya applikationer inom områden som bildigenkänning, naturlig språkbehandling och prediktiv analys.
• Virtuell och förstärkt verklighet: WebGPU kommer att spela en nyckelroll i att möjliggöra webbaserade upplevelser med virtuell och förstärkt verklighet.
• Professionella grafikapplikationer: Verktyg för 3D-modellering, videoredigering och andra grafikintensiva uppgifter kommer att dra nytta av WebGPU:s prestandaförbättringar.

Sammanfattning

WebGPU är en banbrytande teknik som för kraften hos moderna GPU:er till webben. Dess förbättrade prestanda, tillgång till moderna GPU-funktioner, plattformsoberoende kompatibilitet och förbättrade säkerhet gör det till ett övertygande val för utvecklare som arbetar med krävande webbapplikationer. Allt eftersom WebGPU mognar och blir mer allmänt accepterat, har det potentialen att förvandla webben till en plattform för högpresterande grafik och beräkningar, vilket låser upp nya möjligheter för innovation och kreativitet.

Omfamna WebGPU och lås upp framtiden för webbutveckling!