浅谈GPU的Web化—WebGPU

Labs 导读

2023年4月6日，历经6年的标准制定与开发，chrome浏览器在其113版本正式发布了WebGPU，标志着Web端正式进入GPU的新时代，旨在提供“现代3D图形和计算能力”，让高性能通用并行计算在Web侧成为可能。

作者：周明洋

单位：中国移动智慧家庭运营中心 成都业务支持中心

Part 01 ●WebGPU研发背景●

早期，在使用GPU模块开发Web应用方面，开发者更多的是使用2011年发布的WebGL API进行图形绘制。这套API基于OpenGL ES，在一段时间内是Web端进行底层GPU图形绘制的唯一选择，可编程GPU语言的加入，让它在从事某些绘制工作的性能方面对Canvas2D保持一定的优势。该API通过canvas元素获取WebGL上下文后才能使用，其以内部全局状态为中心而设计的状态机式的API调用深受开发人员的诟病，开发人员必须小心构建API的调用顺序（过程式调用），管理状态的开启以及恢复，以使绘制结果正确，同时这在一定程度上导致了性能的开销。

随着科技的发展，GPU早已不是图形绘制应用的专属，在元宇宙、机器学习、大数据、神经网络等不同领域大放异彩，随着算力需求的日益提升，GPU的作用愈发重要，与此同时，在桌面端出现了新一代的图形API（Vulkan、Metal、DirectX12），它们采用面向对象的设计方案，为开发人员提供更加底层的接口访问，更多的GPU使用权，灵活的API调用方式以及通用并行计算能力，让开发人员最大限度从GPU中榨取性能。

Web端同样需要这些能力，基于现代图形API的设计理念，WebGPU应运而生，它不是WebGL的一次升级，WebGPU拥有自身独特的抽象设计，并不直接封装某一特定的图形API，以下是WebGPU的架构示意图。

Part 02 ●WebGPU中的重要概念●

2.1适配器和设备

在开始了解WebGPU的相关规范时，最先接触的便是适配器（adapter）和设备（device）的概念，下图展示了从物理设备（GPU）到逻辑设备抽象架构。

适配器，即GPUAdapter。一个物理GPU设备对应一个GPUAdapter，计算机可能具有多个GPU设备（集成显卡和独立显卡），适配器作为翻译者角色，链接WebGPU与本机的图形API。通过下述方式可以获取相应的GPUAdapter。

这里的设备，即GPUDevice，是逻辑设备的概念，并不对应真正的GPU。GPU是共享资源，浏览器可以运行多个Web应用，每个Web应用都可以独立使用GPU，需要一个类似代理人角色，帮助多个独立的Web应用使用GPU相关的功能，这便是WebGPU设备的作用，GPUDevice对象是后续使用相关API的重要对象，从某种意义上它很像WebGL的上下文概念，但它并不与canvas强相关。通过下述方式获取GPUDevice。

2.2 着色器

着色器（shader）是运行在GPU的一段程序。现代GPU渲染是通过流水管线（可编程逻辑管线）的方式实现的，在管线执行的某个阶段（可编程部分）会执行着色器代码。如果你了解过WebGL，可能知道顶点着色器（vertex shader）和片段着色器（fragment shader），应用程序组织数据资源以变量（unifrom/attribute）的形式传递给着色器，着色器运行将执行的结果传递给下一个阶段进行处理。

着色器是开发人员操控GPU的重要工具，复杂计算、场景特效、图像处理等均可交给着色器程序处理。WebGPU不仅含有顶点着色器和片段着色器、同时具备执行通用并行计算的能力，即计算着色器（compute shader），它由WebGPU计算管线（下文管线概念介绍）承载，拥有比WebGL更强大的计算能力。WebGL采用GLSL语言（OpenGL采用的语言）实现着色器代码，而WebGPU拥有重新设计的着色器语言WGSL，下面是着色器代码与对应模块（GPUShaderModule）的创建示例。

2.3 资源（缓冲、纹理、采样器）

上述着色器的示例中，定义了一些变量，例如unfiorms、uTexture、uSampler、aPosition、aUv等，这些变量参数的值即对应外部应用程序的数据资源，这些数据会存储在显存中，最终会被传入到着色器程序中运行以得到相应的结果。数据资源大体可分为四类：顶点属性数据（vertex attribute）、着色器变量（uniform buffer）数据、纹理数据（texture）、采样器（sampler）。

顶点属性数据主要存储顶点的位置坐标、法向量、纹理坐标（用于采样纹理）等，是基本绘制所必须的。着色器变量数据，则是着色器程序运行所需的通用数据，例如仿射变换矩阵、场景光照参数、材质参数等。纹理数据更多的用于存储图像资源，在绘制时常用于贴图效果的实现。采样器则是一种特殊资源，它指定纹理编码和滤波需要的方式，例如纹理的放大与缩小，各向异性滤波，minmap生成等。对于顶点属性数据和着色器变量数据，其主要映射到GPUBuffer中，即顶点缓冲对象（VBO）和uniform缓冲对象（UBO），纹理数据则对应GPUTexture，采样器则是GPUSampler对象。这三种类型的资源均由GPUDevice创建。以下是各类型资源创建的示例。

GPUBuffer的创建采用了缓冲映射（Buffer Mapping）机制，当某个显存被映射了，CPU才能访问它。上述例子中，在创建GPUBuffer时将mappedAtCreation设置为true，开启映射机制，在设置完数据后结束映射。

2.4 绑定组

上述示例中分别创建了用于存储顶点属性的GPUBuffer对象，存储uniform变量的GPUBuffer对象，存储图像资源的GPUTexutre对象以及采样器对象。对于顶点属性的GPUBuffer对象，将在后续的管线与命令编码模块中阐述其是如何传入到GPU中。对于后述的3种资源（着色器变量、纹理、采样器），则需要用一种有效的方式将它们提交给GPU，为此，WebGPU提出了绑定组概念，即GPUBindGroup，它是一种数据容器，用于将部分数据资源进行打组并传递给着色器程序，能高效地进行数据组织与分配。通过打组的数据组织形式，能够减少CPU与GPU通讯次数，从而提高性能，同时也方便不同行为的着色器共享相同的打组资源，实现资源的复用。下图给出了WebGL与WebGPU不同的数据组织传递形式。

从上图可以看出，WebGL的API设计是围绕内部的全局状态设定的实现的，通过API函数逐个将资源绑定到绑定点上，本质上更改了内部全局状态，而WebGPU则是将资源数据放入数据容器中，通过命令提交（编码器与队列介绍）的方式送入到GPU中。创建GPUBindGroup需要对应的描述符，其结构如下。

绑定组有对应的布局（GPUBindGroupLayout），布局向着色器程序描述某个资源的类型（type），所属组（group），对应的绑定点位（bingding）以及用于具体阶段的着色器程序（visibility），仔细观察上述着色器部分里给出的示例，你会发现@group(0) @binding(0)这样的声明，即表示该资源绑定在组0的0号绑定点上，绑定的布局需根据着色器程序中的设置进行对应填写。GPUBindGroupEntry对象表明一个绑定位，在这个绑定位（resouce字段上指定）上会附上WebGPU创建的资源数据。以下是一个GPUBindGroup创建的简单示例，我们将之前创建的GPUBuffer对象、采样器与纹理对象打包到一个绑定组对象。

2.5 管线

完成着色器模块创建和数据资源准备之后，还需要进行一项重要的工作，即管线（Pipeline）的搭建。大多数开发者在开始学习图形渲染时，首先接触的便是渲染管线的概念，这是现代图像渲染的重要机制，但在WebGL API设计中却没有体现出这一重要理念，零碎的API组织形式让初学者很难将每一步与GPU管线联系起来，WebGL要求开发人员自行组织应用程序的执行流程，所以你会看到gl.bindVertexArray、gl.bindBuffer、gl.bindTexture、gl.useProgram这样的API设计，按照不同需求绑定不同的资源或状态，从而实现不同物体或效果的绘制。WebGPU中的管线分为渲染管线和计算管线。

渲染管线（GPURenderPipeline）顾名思义是用于绘制的管线，通过该管线的作用，最终会生成一副2D图像，该图像可以在屏幕上展示，也可以渲染到帧缓冲区中（frame buffer）。创建GPURenderPipeline需要对应的描述符，其结构如下。

GPUVertexState与GPUFragmentState字段分别代表了顶点着色器和片段着色器可编程阶段。GPUPrimitiveState用于指定图元装配形式，在进行光栅化时以何种图元类型进行绘制。GPUDepthStencilState用于描述深度模版测试信息。GPUMultisampleState指定多重采样，用于处理锯齿效果。GPURenderPipeline创建示例如下。

上述示例可以看出，在渲染管线中配置上了之前生成的两个着色器模块，同时也描述了顶点属性（资源部分提到）在着色器中的布局。在顶点着色器中，有@location(0) aPosition与@location(1) aUv这两个定义，分别代表传入的顶点的位置属性和uv坐标属性，location(0)和location(1)是与管线配置你中的shaderLocation相对应的。

WebGL在大多数情况下仅是一套图形绘制API，它很少会被用来进行其他事物处理，比如计算。计算管线（Compute Pipeline）的出现则赋予了WebGPU“计算能力”，它不是传统渲染管线的一部分，用于GPU并行计算，生成的最终结果存储于缓冲区中，该缓冲区可以存储任何类型的数据，计算管线只有一个compute阶段，创建GPUComputePipeline需要对应的描述符，其结构如下。

GPUProgrammableStage表明这是一个可编程的阶段，类似与GPUVertexState和GPUFragmentState。每个顶点的处理需要调用一次顶点着色器，片段着色器会执行每个像素的处理，而计算着色器则根据开发人员定义的工作项（work item）进行调用，每个工作项对应一个线程（thread）。工作项的集合被分为工作组（work group），即是一组线程（thread block），这组线程内可以共享内存、相互通信及协调运算。在WebGPU中，工作组被模拟为三维网格，如下图所示。

每个最小立方块（黑边）可以看作是一个工作项，多个工作项集合成工作组（红虚边）。在计算着色器代码中可以看到@workgroup_size(x, y, z)这样的申明，即是告诉GPU这个计算着色器的工作组是多大，工作组尺寸（workdgroup_size）的设置大多数情况下取决于工作项坐标语义。下图为简单的GPUComputePipeline创建示例。

这是一个简单的图像灰度直方图统计示例。通过GPU并行架构处理，我们能够忽略掉图像像素的遍历统计，极大加快计算的速度。

2.6 命令编码和队列

上述的工作可以看作是准备阶段，主要进行数据准备和管线搭建两项工作，在进行最后的绘制或计算时，则需要通过命令和队列的形式实现。命令编码器（GPUCommandEncoder）主要常用功能有两个：创建通道编码器（pass encoder）和缓冲资源（GPUBuffer/GPUTexture）复制。GPUCommandEncoder由设备对象形创建，如下：

WebGPU的通道分为渲染通道（render pass）和计算通道（compute pass），对应渲染管线和计算管线，两类通道对象分别通过GPUCommandEncoder对象上的相应方法（beginRenderPass/beginComputePass）结合自身描述符实现创建与启动，最终会得到通道编码器对象GPURenderPassEncoder/GPUComputePassEncoder，这类编码器是WebGPU API设计中的抽象概念，也是WebGL全局状态设置的替代品。通过编码器对象可以设置需要的管线、绑定组、顶点属性缓冲并调用draw/dispatch函数进行绘制或计算。下面是编码器对象的使用示例。

GPUCommandEncoder对象在调用finish函数后会得到一个命令缓冲区对象（GPUCommandBuffer），该缓冲区用于存储GPU命令，这些命令的提交则是通过命令队列（GPUQueue）的实施的，如下：

Part 03 ●结束语●

WebGPU作为全新的API，为Web应用开发注入了新的活力，它实现了图形绘制到通用并行计算的进步，让GPU成为Web端应用的重要角色，是未来构建高性能应用的关键。

审核编辑：汤梓红