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WebGPU：在瀏覽器中解鎖現(xiàn)代 GPU 訪問(wèn)

近日，Chrome 支持了 WebGPU，新的 WebGPU API 在圖形和機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載方面實(shí)現(xiàn)了巨大的性能提升。本文將探討 WebGPU 如何改進(jìn)當(dāng)前 WebGL 解決方案，并展望未來(lái)的發(fā)展方向。

WebGPU 背景

WebGL 于 2011 年登陸 Chrome。通過(guò)允許 Web 應(yīng)用利用 GPU，WebGL 可以在 Web 上實(shí)現(xiàn)驚人的體驗(yàn)——從 Google 地球到交互式音樂(lè)視頻，再到 3D 房地產(chǎn)等等。WebGL是基于OpenGL系列API開(kāi)發(fā)的，該API最初開(kāi)發(fā)于1992年，自那時(shí)以來(lái) GPU 硬件已經(jīng)發(fā)生了極大的變化。

為跟上這一進(jìn)步，一種新型的API被開(kāi)發(fā)出來(lái)，以更高效地與現(xiàn)代GPU硬件交互。這些API包括Direct3D 12、Metal和Vulkan。這些新的 API 支持GPU編程的新的和苛刻的用例，例如機(jī)器學(xué)習(xí)的爆炸式增長(zhǎng)和渲染算法的進(jìn)步。WebGPU 是 WebGL 的繼承者，將這種新型現(xiàn)代 API 的進(jìn)步帶到了 Web。

WebGPU 在瀏覽器中解鎖了許多新的 GPU 編程可能性。它更好地反映了現(xiàn)代 GPU 硬件的工作方式，并為未來(lái)更高級(jí)的GPU功能奠定了基礎(chǔ)。自2017年以來(lái)，這個(gè)API已經(jīng)在W3C的“Web GPU”小組中不斷完善，并得到了包括蘋(píng)果、谷歌、Mozilla、微軟和英特爾在內(nèi)的眾多公司的合作。經(jīng)過(guò) 6 年的努力，很高興地宣布，這項(xiàng)對(duì) Web 平臺(tái)最大的增強(qiáng)功能終于可用了！

WebGPU 現(xiàn)在可以在 Chrome OS、macOS和Windows上的Chrome 113中使用，其他平臺(tái)也將會(huì)很快推出。

下面來(lái)看一些令人興奮的 WebGPU 使用案例。

解鎖用于渲染的新 GPU 工作負(fù)載

諸如計(jì)算著色器之類的 WebGPU 功能使新類別的算法能夠移植到 GPU 上。例如，可以為場(chǎng)景添加更多動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)、模擬物理現(xiàn)象等算法！甚至以前只能用 JavaScript 完成的工作負(fù)載現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)移到 GPU 上。

以下視頻顯示了用于對(duì)這些元球表面進(jìn)行三角測(cè)量的行進(jìn)立方體算法。在視頻的前 20 秒內(nèi)，當(dāng)該算法在 JavaScript 中運(yùn)行時(shí)，它很難跟上僅以 8 FPS 運(yùn)行的頁(yè)面，從而導(dǎo)致動(dòng)畫(huà)卡頓。為了在 JavaScript 中保持高性能，需要大量降低細(xì)節(jié)級(jí)別。

當(dāng)我們將相同的算法移動(dòng)到計(jì)算著色器時(shí)，這是一個(gè)白天和黑夜的區(qū)別，這在 20 秒后的視頻中可以看到。性能顯著提高，頁(yè)面現(xiàn)在以 60 FPS 的流暢速度運(yùn)行，并且對(duì)于其他效果仍有很大的性能提升空間。此外，頁(yè)面的主要 JavaScript 循環(huán)完全釋放出來(lái)用于其他任務(wù)，確保與頁(yè)面的交互保持響應(yīng)。

WebGPU 還可以實(shí)現(xiàn)以前不實(shí)用的復(fù)雜視覺(jué)效果。在以下示例中，在流行的 Babylon.js 庫(kù)中創(chuàng)建，海洋表面完全在 GPU 上模擬。逼真的動(dòng)態(tài)是由許多相互添加的獨(dú)立波創(chuàng)建的。但是直接模擬每個(gè)波浪太昂貴了。

這就是演示使用稱為快速傅立葉變換的高級(jí)算法的原因。這不是將所有波表示為復(fù)雜的位置數(shù)據(jù)，而是使用更有效地執(zhí)行計(jì)算的光譜數(shù)據(jù)。然后每一幀使用傅立葉變換將光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為代表波浪高度的位置數(shù)據(jù)。

更快的 ML 推理

WebGPU 還可用于加速機(jī)器學(xué)習(xí)，這已成為近年來(lái) GPU 的主要用途。

長(zhǎng)期以來(lái)，創(chuàng)發(fā)人員一直在重新利用 WebGL 的渲染 API 來(lái)執(zhí)行非渲染操作，例如機(jī)器學(xué)習(xí)計(jì)算。然而，這需要繪制三角形的像素作為啟動(dòng)計(jì)算的一種方式，并仔細(xì)打包和解包紋理中的張量數(shù)據(jù)，而不是更通用的內(nèi)存訪問(wèn)。

以這種方式使用 WebGL 需要開(kāi)發(fā)人員笨拙地使他們的代碼符合專為繪圖而設(shè)計(jì)的 API 的期望。再加上缺乏計(jì)算之間的共享內(nèi)存訪問(wèn)等基本功能，這會(huì)導(dǎo)致重復(fù)工作和次優(yōu)性能。

計(jì)算著色器是 WebGPU 的主要新功能，可以消除這些痛點(diǎn)。計(jì)算著色器提供更靈活的編程模型，利用 GPU 的大規(guī)模并行特性，同時(shí)不受嚴(yán)格的渲染操作結(jié)構(gòu)的限制。

計(jì)算著色器為在著色器工作組內(nèi)共享數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果提供了更多機(jī)會(huì)，以提高效率。與之前出于相同目的使用 WebGL 的嘗試相比，這可能會(huì)帶來(lái)顯著的收益。

作為這可以帶來(lái)的效率提升的一個(gè)例子，TensorFlow.js 中圖像擴(kuò)散模型的初始端口顯示，當(dāng)從 WebGL 移動(dòng)到 WebGPU 時(shí)，各種硬件的性能提升了 3 倍。在一些測(cè)試過(guò)的硬件上，圖像渲染時(shí)間不到 10 秒。因?yàn)檫@是一個(gè)早期的端口，相信 WebGPU 和 TensorFlow.js 都有更多改進(jìn)的可能！

但 WebGPU 不僅僅是將 GPU 功能帶到 Web 上。

首先為 JavaScript 設(shè)計(jì)

WebGPU是在對(duì)WebGL開(kāi)發(fā)人員十年的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反思的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的。將他們遇到的問(wèn)題、遇到的瓶頸和提出的問(wèn)題整理出來(lái)，并將所有反饋匯總到這個(gè)新的API中。

WebGL 的全局狀態(tài)模型使得創(chuàng)建強(qiáng)大、可組合的庫(kù)和應(yīng)用變得困難和脆弱。因此，WebGPU大大減少了開(kāi)發(fā)人員需要跟蹤GPU命令時(shí)需要跟蹤的狀態(tài)數(shù)量。

調(diào)試 WebGL 應(yīng)用是很痛苦的，因此WebGPU包括了更靈活的錯(cuò)誤處理機(jī)制，不會(huì)降低性能。而且確保從API中獲得的每條消息都易于理解和可操作。

頻繁調(diào)用過(guò)多的 JavaScript 函數(shù)會(huì)成為復(fù)雜 WebGL 應(yīng)用的瓶頸。因此，WebGPU API 的通信量較少，因此可以用更少的函數(shù)調(diào)用完成更多的任務(wù)。專注于在前期執(zhí)行重量級(jí)驗(yàn)證，盡可能使關(guān)鍵的繪制循環(huán)精簡(jiǎn)。提供了像渲染捆綁一類的新 API，它允許預(yù)先記錄大量的繪圖命令，并以單個(gè)調(diào)用重播它們。

為了展示像渲染捆綁這樣一個(gè)功能會(huì)帶來(lái)多么大的變化，下面是Babylon.js的另一個(gè)演示。他們的 WebGL 2 渲染器可以每秒執(zhí)行約 500次 JavaScript 調(diào)用以呈現(xiàn)這個(gè)美術(shù)館場(chǎng)景。

然而，他們的 WebGPU 渲染器啟用了一項(xiàng)稱為快照渲染的功能。此功能構(gòu)建在 WebGPU 渲染包之上，可使提交相同場(chǎng)景的速度提高 10 倍以上。這種顯著減少的開(kāi)銷使 WebGPU 能夠呈現(xiàn)更復(fù)雜的場(chǎng)景，同時(shí)還允許應(yīng)用使用 JavaScript 并行執(zhí)行更多操作。

現(xiàn)代圖形 API 以復(fù)雜性、以簡(jiǎn)單性換取極端優(yōu)化機(jī)會(huì)而著稱。另一方面，WebGPU 專注于跨平臺(tái)兼容性，在大多數(shù)情況下自動(dòng)處理資源同步等傳統(tǒng)難題。

WebGPU 易于學(xué)習(xí)和使用。它依賴于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的現(xiàn)有功能來(lái)進(jìn)行圖像和視頻加載等操作，并依賴于眾所周知的 JavaScript 模式，例如用于異步操作的 Promises。這有助于將所需的樣板代碼數(shù)量保持在最低限度?？梢杂貌坏?50 行代碼在屏幕上顯示第一個(gè)三角形。

總結(jié)

很高興看到 WebGPU 為 Web 平臺(tái)帶來(lái)的所有新可能性，圍繞 WebGL 構(gòu)建了一個(gè)充滿活力的庫(kù)和框架生態(tài)系統(tǒng)，并且同樣的生態(tài)系統(tǒng)渴望擁抱 WebGPU。在許多流行的 Javascript WebGL 庫(kù)中，對(duì) WebGPU 的支持正在進(jìn)行中或已經(jīng)完成，在某些情況下，利用 WebGPU 的優(yōu)勢(shì)可能就像更改單個(gè)標(biāo)志一樣簡(jiǎn)單！

Chrome 113 中的第一個(gè)版本只是一個(gè)開(kāi)始。雖然初始版本適用于 Windows、ChromeOS 和 MacOS，但計(jì)劃在不久的將來(lái)將 WebGPU 引入其余平臺(tái)，如 Android 和 Linux。

致力于推出 WebGPU 的不僅僅是 Chrome 團(tuán)隊(duì)。Firefox 和 WebKit 的實(shí)現(xiàn)也在進(jìn)行中。

此外，W3C 已經(jīng)在設(shè)計(jì)新功能，這些功能在硬件可用時(shí)可以公開(kāi)。例如：在 Chrome 中，計(jì)劃很快在著色器和 DP4 類指令中啟用對(duì) 16 位浮點(diǎn)數(shù)的支持，以進(jìn)一步提高機(jī)器學(xué)習(xí)性能。

WWebGPU是一個(gè)廣泛的API，其以釋放驚人的性能。本文只能對(duì)其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行概述，但如果想親身體驗(yàn)WebGPU，可以查看入門(mén) Codelab《Your first WebGPU app[1]》，將構(gòu)建經(jīng)典康威生命游戲的GPU版本。這個(gè) Codelab 會(huì)逐步引導(dǎo)完成整個(gè)過(guò)程，因此即使第一次進(jìn)行GPU開(kāi)發(fā)，也可以輕松嘗試。

參考：https://developer.chrome.com/blog/webgpu-io2023/