WebGPU 是 2023 年 Web 的未来！

Original CUGGZ 前端充电宝 2023-10-06

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WebGPU 是用于 Web 的下一代图形和计算 API。它提供对现代 GPU 的基础访问，从而在 Web 平台上实现高性能 3D 图形、图像处理和通用计算。经过多年的开发和测试，WebGPU 已经到了推荐阶段，可以被主流浏览器采用。谷歌宣布 Chrome 从版本 113 开始提供 WebGPU 支持，从而在 ChromeOS、Windows 和 macOS 设备上实现惊人的视觉效果和复杂的计算。

WebGPU 为 Web 开发开辟了很多新的可能性。它可以为身临其境的虚拟世界、交互式数据可视化、高级图像和视频编辑、物理模拟、机器学习等提供支持——所有这些都在浏览器中运行。WebGPU 还支持围绕 web 3、隐私和安全性的新用例，这在以前是不可行的。

Web 平台继续突破在线可能性的界限。借助 WebGPU 和 WebXR、WebTransport 和 WebCodecs 等相关标准，未来的 Web 将比以往任何时候都更加强大和开放。虽然这仍是一项新兴技术，但 WebGPU 展示了开放 Web 上图形和计算的广阔前景。

WebGPU 提供基础 API，需要了解图形编程和 GPU 架构才能有效使用。然而，在库、工具和资源的帮助下，Web 开发人员可以使用 WebGPU。Babylon.js、Three.js、TensorFlow.js 和 Filament 等 WebGPU 采纳者展示了如何将 WebGPU 包装到更高级别的框架中，以构建交互式 3D 场景、运行机器学习模型等。

WebGPU 的历史

WebGPU 的诞生源于对更现代和高效的 Web 图形 API 的需求，以取代基于 OpenGL API 家族的 WebGL。WebGL 在网页上实现了许多令人惊叹的体验，例如 Google 地球、交互式音乐视频、3D 房地产漫游等，但它也存在一些限制和挑战，例如：

缺乏对新 GPU 功能的支持，如计算着色器、光线追踪、可变速率着色等。由
于需要验证每个 API 调用并在 CPU 和 GPU 内存之间复制数据，因此具有高 CPU 开销和内存使用量。
由于 OpenGL 在不同的浏览器和平台上的支持和优化不同，导致性能和行为不一致。

2016 年，谷歌向 WebGL 工作组展示了一个 PPT，探讨了构建一个最终取代 WebGL 的新 API 的基本思想和原则，又名“WebGL Next”。该演示文稿提出了一个低级 API，它将公开现代 GPU 的底层功能，例如命令缓冲区、管道、描述符等。API 也将是显式的，这意味着开发人员将对 GPU 资源的使用方式有更多的控制权管理和同步。

2017 年，Apple 的 WebKit 团队提议创建 W3C 社区组来设计 API。同时，他们基于 Apple Metal 中的概念，宣布了一项名为“WebGPU”的概念和提案的技术证明。WebGPU 名称后来被社区采纳为未来标准名称。最初的提案已重命名为“WebMetal”以避免进一步混淆。

W3C 社区小组开始着手定义 WebGPU 规范和 API，Mozilla、Apple、Intel 和 Microsoft 等主要公司都做出了贡献。该小组还收到了 Web 开发人员和行业专家的反馈。目标是创建一个 API：

安全：API 应防止常见错误，如内存泄漏、数据竞争或无效操作等，这些错误可能会导致崩溃或安全问题。
可移植：API 应该在不同的浏览器和平台上一致地工作，而不需要特定于供应商的扩展或解决方法。
表现力：API 应允许开发人员充分利用现代 GPU 的潜力，而不影响性能或灵活性。

Chromium 团队于 2017 年初展示了名为 NXT 的第一个概念原型。NXT 实现了一个新的 API，它可以在带有 OpenGL 的 Chromium 中运行，或者与 OpenGL 和 Metal 独立运行。NXT 借鉴了所有 Vulkan、Direct3D 12 和 Metal 原生 API 的概念。

2020 年，WebGPU 进入第一个公共工作草案阶段，这意味着该规范足够稳定，可以接受公众审查和反馈。该规范定义了 JavaScript API 和基于 SPIR-V 的 WebGPU 着色语言 (WGSL)，旨在与现有的着色语言（如 HLSL 和 GLSL）兼容。

在2021年，WebGPU 达到了候选推荐阶段，这意味着规范已经可以进行实现测试和互操作性评估。规范还定义了一些可选特性，这些特性可以根据浏览器的平台支持进行启用，例如深度钳位、各向异性滤波、纹理压缩 BC 等。

2023 年，WebGPU 进入提议推荐阶段，这意味着该规范已准备好接受 W3C 主席的认可。该规范还定义了一些实验性功能，浏览器可以在标志或前缀下启用这些功能，例如光线追踪或可变速率着色。

2023 年 4 月 6 日，Google 宣布 Chromium/Chrome 浏览器将从 Chromium/Chrome 113 开始在支持 Vulkan 的 ChromeOS 设备、macOS 和具有 Direct3D 12 的 Windows 设备上启用 WebGPU 支持。对包括 Linux 和 Android 在内的其他平台的 WebGPU 支持将在之后进行添加。

WebGPU对Web 3开发的影响

WebGPU 对 Web 3 开发有这深远的影响，因为它实现了 WebGL 不可能或不可行的新可能性和场景。WebGPU 的一些用例如下：

高性能图形和计算：WebGPU 允许开发人员利用现代 GPU 的强大功能在 Web 上创建令人惊叹的视觉效果和复杂的模拟。WebGPU 可以处理大量数据和并行计算，例如粒子系统、流体动力学、物理引擎、机器学习等。WebGPU 还可以支持高级渲染技术，例如光线追踪、阴影、反射、环境遮挡等。
跨平台兼容性：WebGPU 在不同的浏览器和平台上一致地工作，不需要供应商特定的扩展或解决方法。WebGPU 还可以在支持 Vulkan、Metal 或 Direct3D 12 的移动设备上运行，这些设备涵盖了大多数现代智能手机和平板电脑。这意味着开发人员可以创建在任何设备上都能流畅运行的 Web 应用。
面向未来：WebGPU 旨在可扩展并适应未来的 GPU 功能和技术。WebGPU 可以将新功能公开为可选扩展或实验性功能，浏览器可以根据其平台支持启用这些功能。这意味着开发人员可以使用最新和最强大的 GPU 功能，而无需等待标准赶上或冒兼容性问题的风险。
Web 3：WebGPU 可以使 Web 应用与去中心化网络和协议进行交互，例如区块链、IPFS 等。WebGPU 还可以支持 Web 上的安全和可验证计算，例如零知识证明、同态加密等。这意味着开发人员可以创建更透明、更可靠、更有弹性的 Web 应用。
元宇宙：WebGPU 可以使 Web 应用能够在 Web 上创建身临其境的交互式虚拟世界和体验。WebGPU 可以支持大型场景和环境、复杂的动画和交互、逼真的光照和材料、空间音频和触觉等。这意味着开发人员可以创建更具吸引力、社交性和趣味性的 Web 应用。

WebGPU 入门

要开始使用 WebGPU，需要一个支持它的浏览器（例如 Chrome 113 或更高版本）和一个具有兼容 GPU 的设备（例如支持 Vulkan 的 Chromebook）。还需要一些 JavaScript 和图形编程的基本知识。

以下是使用 WebGPU 在 canvas 元素上绘制三角形的例子：

// 获取 canvas 元素的引用
const canvas = document.getElementById("canvas");

// 从 canvas 获取 WebGPU 上下文
const context = canvas.getContext("webgpu");
// 从上下文中获取默认适配器 (GPU)
const adapter = await context.getAdapter();
// 从适配器获取设备（GPU 的逻辑表示）
const device = await adapter.requestDevice();
// 从上下文中创建交换链（一组用于显示帧的缓冲区）
const swapChainFormat = "bgra8unorm";
const swapChain = context.configureSwapChain({
  device,
  format: swapChainFormat,
});
// 从设备创建着色器模块（着色器代码的容器）
const shaderModule = device.createShaderModule({
  code: `
    // 顶点着色器
    [[stage(vertex)]]
    fn main([[builtin(vertex_index)]] index: u32) -> [[builtin(position)]] vec4<f32> {
      // 定义三角形顶点的位置
      var positions: array<vec2<f32>, 3> = array<vec2<f32>, 3>(
        vec2<f32>(0.0, 0.5),
        vec2<f32>(-0.5, -0.5),
        vec2<f32>(0.5, -0.5),
      );
      // 返回当前顶点的位置
      return vec4<f32>(positions[index], 0.0, 1.0);
    }
    // 片段着色器
    [[stage(fragment)]]
    fn main() -> [[location(0)]] vec4<f32> {
      // 返回三角形的颜色（红色）
      return vec4<f32>(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    }
  `,
});
// 从设备创建管道（用于渲染的一系列操作）
const pipeline = device.createRenderPipeline({
  // 指定顶点阶段（着色器模块和入口点）
  vertex: {
    module: shaderModule,
    entryPoint: "main",
  },
  // 指定片段阶段（着色器模块和入口点）
  fragment: {
    module: shaderModule,
    entryPoint: "main",
    // 指定输出格式和位置
    targets: [
      {
        format: swapChainFormat,
      },
    ],
  },
  // 指定原始拓扑（顶点如何连接）
  primitive: {
    topology: "triangle-list",
  },
});

// 从设备创建命令编码器（用于记录命令的辅助对象）
const commandEncoder = device.createCommandEncoder();

// 从交换链中获取当前纹理（缓冲区）
const texture = swapChain.getCurrentTexture();

// 从命令编码器创建渲染通道（一组用于渲染的命令）
const renderPass = commandEncoder.beginRenderPass({
  // 指定输出纹理和颜色
  colorAttachments: [
    {
      view: texture.createView(),
      loadValue: [0.5, 0.5, 0.5, 1], // gray
      storeOp: "store",
    },
  ],
});

// 为渲染过程设置 pipeline
renderPass.setPipeline(pipeline);

// 绘制三角形（3 个顶点，1 个实例）
renderPass.draw(3, 1, 0, 0);

// 结束渲染过程
renderPass.endPass();

// 从命令编码器获取命令缓冲区（命令的容器）
const commandBuffer = commandEncoder.finish();

// 将命令缓冲区提交到设备队列（要执行的命令列表）
device.queue.submit([commandBuffer]);

// 请求一个动画帧来渲染下一帧
requestAnimationFrame(render);

WebGPU 资源和工具

要构建 WebGPU，需要一些工具和资源来完成开发过程。可以使用的一些工具和资源如下：

WebGPU 示例：WebGPU 示例和演示的集合，展示了如何使用 WebGPU 的各种功能和技术。可以浏览代码、在线运行示例或将它们下载到本地计算机。这些示例还包括一个 WebGPU 帮助程序库，可以简化一些常见的任务和操作。地址：https://austineng.github.io/webgpu-samples/
WebGPU Playground：WebGPU 的在线编辑器和 Playground，可让在浏览器中编写和运行 WebGPU 代码。还可以与其他人共享代码。地址：https://webgpu-playground.netlify.app/
WebGPU 文档：WebGPU 的官方文档，解释了 API 的概念、术语和功能。还可以在 WebGPU 上找到指向其他资源和教程的链接。地址：https://gpuweb.github.io/gpuweb/
WebGPU 着色语言 (WGSL) 规范：WGSL 的官方规范，WebGPU 的着色语言，它定义了 WGSL 的语法、语义和特性。还可以找到指向 WGSL 的其他资源和工具的链接。地址：https://gpuweb.github.io/gpuweb/wgsl/。
WGSL Playground：WGSL 的在线编辑器，可让在浏览器中编写和运行 WGSL 代码。还可以与其他人共享代码。地址：https://timjones.io/wgsl-playground/

使用这些工具和资源，可以了解有关 WebGPU 的更多信息并创建自己的示例和应用。还可以探索其他使用 WebGPU 的示例和项目，例如：

Babylon.js：一个功能强大且功能丰富的 Web 3D 引擎，支持将 WebGPU 作为渲染后端。官网：https://www.babylonjs.com/。

const engine = new BABYLON.WebGPUEngine(canvas);
await engine.initAsync();


const scene = new BABYLON.Scene(engine);

const camera = new BABYLON.ArcRotateCamera("camera", -Math.PI / 2, Math.PI / 2.5, 3, new BABYLON.Vector3(0, 0, 0), scene);
camera.attachControl(canvas, true);

const light = new BABYLON.HemisphericLight("light", new BABYLON.Vector3(0, 1, 0), scene);

const sphere = BABYLON.MeshBuilder.CreateSphere("sphere", {diameter: 2}, scene);

const material = new BABYLON.StandardMaterial("material", scene);
material.diffuseColor = new BABYLON.Color3(1, 0, 0);

sphere.material = material;

engine.runRenderLoop(() => {
    scene.render();
});

Three.js：一个流行的轻量级 Web 3D 库，支持将 WebGPU 作为实验性渲染器。官网：https://threejs.org/

const scene = new THREE.Scene();

const camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 1000);
camera.position.z = 5;

const renderer = new THREE.WebGPURenderer();
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
document.body.appendChild(renderer.domElement);

const geometry = new THREE.BoxGeometry();
const material = new THREE.MeshBasicMaterial({color: 0x00ff00});
const cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(cube);

function animate() {
  requestAnimationFrame(animate);
  cube.rotation.x += 0.01;
  cube.rotation.y += 0.01;
  renderer.render(scene, camera);
}
animate();

Filament：基于物理的实时渲染引擎，适用于 Android、iOS、Windows、Linux、macOS 和 WebGL/WebGPU，支持高质量图形和光照效果。官网：https://google.github.io/filament/

const engine = Filament.Engine.create(canvas);

const scene = engine.createScene();

const camera = engine.createCamera();

const view = engine.createView();
view.setCamera(camera);
view.setScene(scene);

const skybox = engine.createSkyFromKtx('venetian_crossroads_2k_ibl.ktx');
scene.setSkybox(skybox);

const indirectLight = engine.createIblFromKtx('venetian_crossroads_2k_ibl.ktx');
scene.setIndirectLight(indirectLight);

const material = engine.createMaterial('lit.filamat');

const renderable = Filament.EntityManager.get().create();
scene.addEntity(renderable);

Filament.fetch('DamagedHelmet.glb', (buffer) => {
  const loader = new Filament.gltfio.AssetLoader(engine);
  const asset = loader.createAssetFromBinary(buffer);
  loader.delete();
  asset.getEntities().forEach((entity) => {
    scene.addEntity(entity);
  });
});

function render() {
  requestAnimationFrame(render);
  view.setViewport([0, 0, canvas.width, canvas.height]);
  renderer.render(view);
}
render();

TensorFlow.js：一个用于机器学习的 JavaScript 库，支持 WebGPU 作为加速计算的后端。官网：https://www.tensorflow.org/js/

import * as tf from '@tensorflow/tfjs';

import '@tensorflow/tfjs-backend-webgpu';

await tf.ready();

tf.setBackend('webgpu');

const a = tf.tensor([1, 2, 3, 4]);
const b = tf.tensor([5, 6, 7, 8]);

const c = a.add(b);
c.print();