WebGPU 是一個現代化的網頁 API，通過標準化的瀏覽器介面使應用程式能夠訪問圖形和通用 GPU 的能力。它設計用來支持要求高的工作負載，如先進的 3D 圖形、圖像處理、模擬及某些機器學習應用，同時提供比舊版瀏覽器圖形 API 更現代的 GPU 編程模型。
什麼是 WebGPU？
WebGPU 是一個網頁標準，允許 JavaScript 應用程式通過瀏覽器管理的 API 與兼容的圖形硬體進行通信。它是基於現代 GPU 概念設計的，如命令緩衝區、管線、著色器、綁定組和明確的資源管理。
與傳統的僅限圖形介面不同，WebGPU 旨在同時用於渲染和通用 GPU 計算。這使得它與需要不僅僅是顯示 3D 場景的應用程式相關。
WebGPU 如何運作
- 網路應用程式請求訪問相容的 GPU 介面。
- 應用程式通過瀏覽器獲得 GPU 裝置。
- 創建緩衝區、紋理和取樣器等資源。
- 著色器定義圖形或計算操作。
- 應用程式創建管線描述這些操作應該如何執行。
- 命令被編碼並提交給 GPU。
- 瀏覽器和底層圖形系統管理執行和安全性。
WebGPU 與 WebGL
| 功能 | WebGPU | WebGL |
|---|---|---|
| 設計生成 | 現代 GPU API 模型 | 基於 OpenGL ES 概念 |
| 圖形 | 是 | 是 |
| GPU 計算 | 一流計算管線 | 並不是設計為通用計算 API |
| 資源控制 | 更明確的資源和管線管理 | 在許多領域中的更高層次抽象 |
| 現代 GPU 工作流程 | 考慮到當代 GPU 架構的設計 | 舊的 API 模型 |
WebGPU 不會自動使應用程式速度更快。性能取決於工作負載、GPU、瀏覽器、驅動程序、實現、算法，以及應用程式如何有效使用 GPU 資源。
為什麼 WebGPU 重要
網路應用程式日益需要執行曾經限於桌面軟體的任務。互動 3D 體驗、視覺分析、創意工具、科學模擬和 AI 工作負載可能需要大量的並行計算。
WebGPU 為這些工作負載提供了一條標準化路徑，以利用現代 GPU 能力，同時保持在瀏覽器的安全性和可攜性模型內。
WebGPU 的主要特點
- 圖形渲染： 支持先進的基於瀏覽器的 2D 和 3D 體驗。
- 計算著色器： 使 GPU 計算適合的並行工作負載成為可能。
- 顯式管線： 讓應用程序更直接地描述渲染和計算管線。
- 資源管理： 為緩衝區、紋理、綁定組和其他 GPU 資源提供顯式機制。
- 瀏覽器安全： GPU 訪問由瀏覽器和平台圖形堆棧調解。
- 跨平台設計： 實現可以將 WebGPU 概念映射到受支持系統的本地圖形 API。
WebGPU 用於 3D 圖形
WebGPU 可以為基於瀏覽器的 3D 應用提供支持，例如互動產品可視化、遊戲、工程查看器、建築模型和沉浸式體驗。
其以管線為導向的設計可以讓開發者更好地控制渲染工作負載的組織方式。然而，構建 WebGPU 應用需要理解 GPU 編程概念，而不是將 GPU 當作更快的 CPU。
WebGPU 用於人工智慧和機器學習
GPU 計算對於許多機器學習操作是有用的，因為矩陣和張量計算可以高度並行。因此，WebGPU 可以作為某些基於瀏覽器的 AI 工作負載的執行層。
這可以使某些模型或推理操作在本地運行，而無需將每個輸入發送到遠程伺服器。本地執行可以在隱私和延遲上帶來優勢，但必須考慮模型大小、瀏覽器支持、設備能力、內存限制和功耗。
WebGPU 和 WebAssembly
WebGPU 和 WebAssembly 可以互相補充。WebAssembly 可以提供編譯的 CPU 端代碼或數值功能，而 WebGPU 可以在 GPU 上執行適合的並行工作負載。
這兩種技術解決不同的問題。開發者應根據測量的工作負載特性選擇計算運行的位置，而不是假設任何技術都是普遍更快的。
WebGPU 的好處
- 通過網絡 API 提供對現代 GPU 功能的訪問。
- 支持圖形和計算工作負載。
- 可以啟用更高要求的瀏覽器應用。
- 可以支持適合 AI 和數據工作負載的本地處理。
- 提供現代管線和資源模型。
- 可以減少對某些使用案例的專用本地應用程序的需求。
挑戰與限制
WebGPU 引入的複雜性超過了許多高級網頁圖形庫。開發者需要了解 GPU 內存、著色器編程、同步、管線、資源生命週期和性能特徵。
瀏覽器和設備的支持也可能有所不同。生產應用程序應該檢測功能，並在必要時提供適當的回退行為。
GPU 負載可能會消耗大量能量，尤其是在移動設備上。因此，應用程序應考慮電池使用和熱行為，而不僅僅是專注於峰值性能。
如何開始使用 WebGPU
- 檢查目標瀏覽器和設備對 WebGPU 的支持。
- 如果您不想直接使用低級 API，請選擇合適的圖形或 GPU 程式設計框架。
- 從小型渲染或計算示例開始。
- 學習適配器、設備、緩衝區、紋理、著色器、綁定組和管道的概念。
- 單獨測量 GPU 和 CPU 性能。
- 在具有代表性的桌面和移動硬體上進行測試。
- 為不支持的環境實現優雅的回退行為。
專家提示
- 優化之前進行分析。
- 最小化 CPU 和 GPU 記憶體之間不必要的傳輸。
- 批量處理合適的操作以減少開銷。
- 保持 GPU 資源有序，並釋放不再需要的資源。
- 在不同 GPU 類別之間測試著色器性能。
- 設計移動應用程序時考慮電池和熱約束。
- 當低級 WebGPU 實現會增加不必要的複雜性時，使用現成的庫。
要避免的常見錯誤
- 假定 GPU 執行對每個工作負載都是自動更快的。
- 忽略記憶體傳輸的開銷。
- 編寫著色器時不考慮不同的 GPU 架構。
- 僅在高端桌面 GPU 上進行測試。
- 忽略瀏覽器兼容性和回退要求。
- 對於小型工作負載過度使用 GPU 計算，而 CPU 執行更簡單。
常見問題
WebGPU 簡單來說是什麼？
WebGPU 是一個瀏覽器 API，可讓 Web 應用程序使用現代 GPU 功能進行圖形和通用計算。
WebGPU 比 WebGL 更好嗎？
WebGPU 提供了更現代的 GPU 程式設計模型和一級計算支持。它是否更適合特定應用程序取決於其需求、瀏覽器支持和工作負載。
WebGPU 能運行 AI 模型嗎？
是的。WebGPU 可以為合適的機器學習工作負載提供 GPU 計算，包括一些基於瀏覽器的推斷場景。
WebGPU 取代 JavaScript 嗎？
不。JavaScript 仍然是網路上的主要應用程式語言。它可以使用 WebGPU 將圖形和計算工作提交給 GPU。
WebGPU 可以與 WebAssembly 一起使用嗎？
是的。WebAssembly 和 WebGPU 可以結合使用，Wasm 處理適合的 CPU 端計算，而 WebGPU 處理適合的 GPU 工作負載。
WebGPU 可以在行動裝置上運作嗎？
支援取決於瀏覽器、作業系統、設備和圖形實作。應用程式應測試其打算支援的環境。
WebGPU 難學嗎？
該 API 比許多高階圖形庫更明確。開發者從了解 GPU 概念如著色器、緩衝區、管道和資源綁定中獲益。
WebGPU 安全嗎？
WebGPU 的訪問受到瀏覽器的安全模型和圖形實作的調節，但應用程式仍需遵循安全編碼實踐，並謹慎處理數據和資源。
結論
WebGPU 為網頁開發者提供了一種現代方式來訪問 GPU 圖形和計算能力。它可以支援先進的 3D 應用程式、科學可視化、創意工具以及需要並行處理的特定 AI 工作負載。
當工作負載可以受益於 GPU 並行性並且目標環境提供可靠支援時，這項技術最為有用。開發者應基準測試現實的工作負載，考慮內存和能源限制，並在必要時提供合理的備用方案。
想探索更多現代網路技術嗎？ 繼續閱讀我們關於 WebAssembly、API 閘道、微服務和其他塑造現代軟體開發的技術的指南。
