淺談GPU的Web化—WebGPU

Labs 導讀

2023年4月6日，歷經6年的標準制定與開發，chrome瀏覽器在其113版本正式發布了WebGPU，標志著Web端正式進入GPU的新時代，旨在提供“現代3D圖形和計算能力”，讓高性能通用并行計算在Web側成為可能。

作者：周明洋

單位：中國移動智慧家庭運營中心 成都業務支持中心

Part 01 ●WebGPU研發背景●

早期，在使用GPU模塊開發Web應用方面，開發者更多的是使用2011年發布的WebGL API進行圖形繪制。這套API基于OpenGL ES，在一段時間內是Web端進行底層GPU圖形繪制的唯一選擇，可編程GPU語言的加入，讓它在從事某些繪制工作的性能方面對Canvas2D保持一定的優勢。該API通過canvas元素獲取WebGL上下文后才能使用，其以內部全局狀態為中心而設計的狀態機式的API調用深受開發人員的詬病，開發人員必須小心構建API的調用順序（過程式調用），管理狀態的開啟以及恢復，以使繪制結果正確，同時這在一定程度上導致了性能的開銷。

隨著科技的發展，GPU早已不是圖形繪制應用的專屬，在元宇宙、機器學習、大數據、神經網絡等不同領域大放異彩，隨著算力需求的日益提升，GPU的作用愈發重要，與此同時，在桌面端出現了新一代的圖形API（Vulkan、Metal、DirectX12），它們采用面向對象的設計方案，為開發人員提供更加底層的接口訪問，更多的GPU使用權，靈活的API調用方式以及通用并行計算能力，讓開發人員最大限度從GPU中榨取性能。

Web端同樣需要這些能力，基于現代圖形API的設計理念，WebGPU應運而生，它不是WebGL的一次升級，WebGPU擁有自身獨特的抽象設計，并不直接封裝某一特定的圖形API，以下是WebGPU的架構示意圖。

Part 02 ●WebGPU中的重要概念●

2.1適配器和設備

在開始了解WebGPU的相關規范時，最先接觸的便是適配器（adapter）和設備（device）的概念，下圖展示了從物理設備（GPU）到邏輯設備抽象架構。

適配器，即GPUAdapter。一個物理GPU設備對應一個GPUAdapter，計算機可能具有多個GPU設備（集成顯卡和獨立顯卡），適配器作為翻譯者角色，鏈接WebGPU與本機的圖形API。通過下述方式可以獲取相應的GPUAdapter。

這里的設備，即GPUDevice，是邏輯設備的概念，并不對應真正的GPU。GPU是共享資源，瀏覽器可以運行多個Web應用，每個Web應用都可以獨立使用GPU，需要一個類似代理人角色，幫助多個獨立的Web應用使用GPU相關的功能，這便是WebGPU設備的作用，GPUDevice對象是后續使用相關API的重要對象，從某種意義上它很像WebGL的上下文概念，但它并不與canvas強相關。通過下述方式獲取GPUDevice。

2.2 著色器

著色器（shader）是運行在GPU的一段程序?，F代GPU渲染是通過流水管線（可編程邏輯管線）的方式實現的，在管線執行的某個階段（可編程部分）會執行著色器代碼。如果你了解過WebGL，可能知道頂點著色器（vertex shader）和片段著色器（fragment shader），應用程序組織數據資源以變量（unifrom/attribute）的形式傳遞給著色器，著色器運行將執行的結果傳遞給下一個階段進行處理。

著色器是開發人員操控GPU的重要工具，復雜計算、場景特效、圖像處理等均可交給著色器程序處理。WebGPU不僅含有頂點著色器和片段著色器、同時具備執行通用并行計算的能力，即計算著色器（compute shader），它由WebGPU計算管線（下文管線概念介紹）承載，擁有比WebGL更強大的計算能力。WebGL采用GLSL語言（OpenGL采用的語言）實現著色器代碼，而WebGPU擁有重新設計的著色器語言WGSL，下面是著色器代碼與對應模塊（GPUShaderModule）的創建示例。

2.3 資源（緩沖、紋理、采樣器）

上述著色器的示例中，定義了一些變量，例如unfiorms、uTexture、uSampler、aPosition、aUv等，這些變量參數的值即對應外部應用程序的數據資源，這些數據會存儲在顯存中，最終會被傳入到著色器程序中運行以得到相應的結果。數據資源大體可分為四類：頂點屬性數據（vertex attribute）、著色器變量（uniform buffer）數據、紋理數據（texture）、采樣器（sampler）。

頂點屬性數據主要存儲頂點的位置坐標、法向量、紋理坐標（用于采樣紋理）等，是基本繪制所必須的。著色器變量數據，則是著色器程序運行所需的通用數據，例如仿射變換矩陣、場景光照參數、材質參數等。紋理數據更多的用于存儲圖像資源，在繪制時常用于貼圖效果的實現。采樣器則是一種特殊資源，它指定紋理編碼和濾波需要的方式，例如紋理的放大與縮小，各向異性濾波，minmap生成等。對于頂點屬性數據和著色器變量數據，其主要映射到GPUBuffer中，即頂點緩沖對象（VBO）和uniform緩沖對象（UBO），紋理數據則對應GPUTexture，采樣器則是GPUSampler對象。這三種類型的資源均由GPUDevice創建。以下是各類型資源創建的示例。

GPUBuffer的創建采用了緩沖映射（Buffer Mapping）機制，當某個顯存被映射了，CPU才能訪問它。上述例子中，在創建GPUBuffer時將mappedAtCreation設置為true，開啟映射機制，在設置完數據后結束映射。

2.4 綁定組

上述示例中分別創建了用于存儲頂點屬性的GPUBuffer對象，存儲uniform變量的GPUBuffer對象，存儲圖像資源的GPUTexutre對象以及采樣器對象。對于頂點屬性的GPUBuffer對象，將在后續的管線與命令編碼模塊中闡述其是如何傳入到GPU中。對于后述的3種資源（著色器變量、紋理、采樣器），則需要用一種有效的方式將它們提交給GPU，為此，WebGPU提出了綁定組概念，即GPUBindGroup，它是一種數據容器，用于將部分數據資源進行打組并傳遞給著色器程序，能高效地進行數據組織與分配。通過打組的數據組織形式，能夠減少CPU與GPU通訊次數，從而提高性能，同時也方便不同行為的著色器共享相同的打組資源，實現資源的復用。下圖給出了WebGL與WebGPU不同的數據組織傳遞形式。

從上圖可以看出，WebGL的API設計是圍繞內部的全局狀態設定的實現的，通過API函數逐個將資源綁定到綁定點上，本質上更改了內部全局狀態，而WebGPU則是將資源數據放入數據容器中，通過命令提交（編碼器與隊列介紹）的方式送入到GPU中。創建GPUBindGroup需要對應的描述符，其結構如下。

綁定組有對應的布局（GPUBindGroupLayout），布局向著色器程序描述某個資源的類型（type），所屬組（group），對應的綁定點位（bingding）以及用于具體階段的著色器程序（visibility），仔細觀察上述著色器部分里給出的示例，你會發現@group(0) @binding(0)這樣的聲明，即表示該資源綁定在組0的0號綁定點上，綁定的布局需根據著色器程序中的設置進行對應填寫。GPUBindGroupEntry對象表明一個綁定位，在這個綁定位（resouce字段上指定）上會附上WebGPU創建的資源數據。以下是一個GPUBindGroup創建的簡單示例，我們將之前創建的GPUBuffer對象、采樣器與紋理對象打包到一個綁定組對象。

2.5 管線

完成著色器模塊創建和數據資源準備之后，還需要進行一項重要的工作，即管線（Pipeline）的搭建。大多數開發者在開始學習圖形渲染時，首先接觸的便是渲染管線的概念，這是現代圖像渲染的重要機制，但在WebGL API設計中卻沒有體現出這一重要理念，零碎的API組織形式讓初學者很難將每一步與GPU管線聯系起來，WebGL要求開發人員自行組織應用程序的執行流程，所以你會看到gl.bindVertexArray、gl.bindBuffer、gl.bindTexture、gl.useProgram這樣的API設計，按照不同需求綁定不同的資源或狀態，從而實現不同物體或效果的繪制。WebGPU中的管線分為渲染管線和計算管線。

渲染管線（GPURenderPipeline）顧名思義是用于繪制的管線，通過該管線的作用，最終會生成一副2D圖像，該圖像可以在屏幕上展示，也可以渲染到幀緩沖區中（frame buffer）。創建GPURenderPipeline需要對應的描述符，其結構如下。

GPUVertexState與GPUFragmentState字段分別代表了頂點著色器和片段著色器可編程階段。GPUPrimitiveState用于指定圖元裝配形式，在進行光柵化時以何種圖元類型進行繪制。GPUDepthStencilState用于描述深度模版測試信息。GPUMultisampleState指定多重采樣，用于處理鋸齒效果。GPURenderPipeline創建示例如下。

上述示例可以看出，在渲染管線中配置上了之前生成的兩個著色器模塊，同時也描述了頂點屬性（資源部分提到）在著色器中的布局。在頂點著色器中，有@location(0) aPosition與@location(1) aUv這兩個定義，分別代表傳入的頂點的位置屬性和uv坐標屬性，location(0)和location(1)是與管線配置你中的shaderLocation相對應的。

WebGL在大多數情況下僅是一套圖形繪制API，它很少會被用來進行其他事物處理，比如計算。計算管線（Compute Pipeline）的出現則賦予了WebGPU“計算能力”，它不是傳統渲染管線的一部分，用于GPU并行計算，生成的最終結果存儲于緩沖區中，該緩沖區可以存儲任何類型的數據，計算管線只有一個compute階段，創建GPUComputePipeline需要對應的描述符，其結構如下。

GPUProgrammableStage表明這是一個可編程的階段，類似與GPUVertexState和GPUFragmentState。每個頂點的處理需要調用一次頂點著色器，片段著色器會執行每個像素的處理，而計算著色器則根據開發人員定義的工作項（work item）進行調用，每個工作項對應一個線程（thread）。工作項的集合被分為工作組（work group），即是一組線程（thread block），這組線程內可以共享內存、相互通信及協調運算。在WebGPU中，工作組被模擬為三維網格，如下圖所示。

每個最小立方塊（黑邊）可以看作是一個工作項，多個工作項集合成工作組（紅虛邊）。在計算著色器代碼中可以看到@workgroup_size(x, y, z)這樣的申明，即是告訴GPU這個計算著色器的工作組是多大，工作組尺寸（workdgroup_size）的設置大多數情況下取決于工作項坐標語義。下圖為簡單的GPUComputePipeline創建示例。

這是一個簡單的圖像灰度直方圖統計示例。通過GPU并行架構處理，我們能夠忽略掉圖像像素的遍歷統計，極大加快計算的速度。

2.6 命令編碼和隊列

上述的工作可以看作是準備階段，主要進行數據準備和管線搭建兩項工作，在進行最后的繪制或計算時，則需要通過命令和隊列的形式實現。命令編碼器（GPUCommandEncoder）主要常用功能有兩個：創建通道編碼器（pass encoder）和緩沖資源（GPUBuffer/GPUTexture）復制。GPUCommandEncoder由設備對象形創建，如下：

WebGPU的通道分為渲染通道（render pass）和計算通道（compute pass），對應渲染管線和計算管線，兩類通道對象分別通過GPUCommandEncoder對象上的相應方法（beginRenderPass/beginComputePass）結合自身描述符實現創建與啟動，最終會得到通道編碼器對象GPURenderPassEncoder/GPUComputePassEncoder，這類編碼器是WebGPU API設計中的抽象概念，也是WebGL全局狀態設置的替代品。通過編碼器對象可以設置需要的管線、綁定組、頂點屬性緩沖并調用draw/dispatch函數進行繪制或計算。下面是編碼器對象的使用示例。

GPUCommandEncoder對象在調用finish函數后會得到一個命令緩沖區對象（GPUCommandBuffer），該緩沖區用于存儲GPU命令，這些命令的提交則是通過命令隊列（GPUQueue）的實施的，如下：

Part 03 ●結束語●

WebGPU作為全新的API，為Web應用開發注入了新的活力，它實現了圖形繪制到通用并行計算的進步，讓GPU成為Web端應用的重要角色，是未來構建高性能應用的關鍵。

審核編輯：湯梓紅