WebGPU 是用于 Web 的下一代圖形和計算 API。它提供對現(xiàn)代 GPU 的基礎(chǔ)訪問，從而在 Web 平臺上實現(xiàn)高性能 3D 圖形、圖像處理和通用計算。經(jīng)過多年的開發(fā)和測試，WebGPU 已經(jīng)到了推薦階段，可以被主流瀏覽器采用。谷歌宣布 Chrome 從版本 113 開始提供 WebGPU 支持，從而在 ChromeOS、Windows 和 macOS 設(shè)備上實現(xiàn)驚人的視覺效果和復雜的計算。

WebGPU 為 Web 開發(fā)開辟了很多新的可能性。它可以為身臨其境的虛擬世界、交互式數(shù)據(jù)可視化、高級圖像和視頻編輯、物理模擬、機器學習等提供支持——所有這些都在瀏覽器中運行。WebGPU 還支持圍繞 web 3、隱私和安全性的新用例，這在以前是不可行的。

Web 平臺繼續(xù)突破在線可能性的界限。借助 WebGPU 和 WebXR、WebTransport 和 WebCodecs 等相關(guān)標準，未來的 Web 將比以往任何時候都更加強大和開放。雖然這仍是一項新興技術(shù)，但 WebGPU 展示了開放 Web 上圖形和計算的廣闊前景。

WebGPU 提供基礎(chǔ) API，需要了解圖形編程和 GPU 架構(gòu)才能有效使用。然而，在庫、工具和資源的幫助下，Web 開發(fā)人員可以使用 WebGPU。Babylon.js、Three.js、TensorFlow.js 和 Filament 等 WebGPU 采納者展示了如何將 WebGPU 包裝到更高級別的框架中，以構(gòu)建交互式 3D 場景、運行機器學習模型等。

WebGPU 的歷史

WebGPU 的誕生源于對更現(xiàn)代和高效的 Web 圖形 API 的需求，以取代基于 OpenGL API 家族的 WebGL。WebGL 在網(wǎng)頁上實現(xiàn)了許多令人驚嘆的體驗，例如 Google 地球、交互式音樂視頻、3D 房地產(chǎn)漫游等，但它也存在一些限制和挑戰(zhàn)，例如：

• 缺乏對新 GPU 功能的支持，如計算著色器、光線追蹤、可變速率著色等。由
• 于需要驗證每個 API 調(diào)用并在 CPU 和 GPU 內(nèi)存之間復制數(shù)據(jù)，因此具有高 CPU 開銷和內(nèi)存使用量。
• 由于 OpenGL 在不同的瀏覽器和平臺上的支持和優(yōu)化不同，導致性能和行為不一致。

2016 年，谷歌向 WebGL 工作組展示了一個 PPT，探討了構(gòu)建一個最終取代 WebGL 的新 API 的基本思想和原則，又名“WebGL Next”。該演示文稿提出了一個低級 API，它將公開現(xiàn)代 GPU 的底層功能，例如命令緩沖區(qū)、管道、描述符等。API 也將是顯式的，這意味著開發(fā)人員將對 GPU 資源的使用方式有更多的控制權(quán) 管理和同步。

2017 年，Apple 的 WebKit 團隊提議創(chuàng)建 W3C 社區(qū)組來設(shè)計 API。同時，他們基于 Apple Metal 中的概念，宣布了一項名為“WebGPU”的概念和提案的技術(shù)證明。WebGPU 名稱后來被社區(qū)采納為未來標準名稱。最初的提案已重命名為“WebMetal”以避免進一步混淆。

W3C 社區(qū)小組開始著手定義 WebGPU 規(guī)范和 API，Mozilla、Apple、Intel 和 Microsoft 等主要公司都做出了貢獻。該小組還收到了 Web 開發(fā)人員和行業(yè)專家的反饋。目標是創(chuàng)建一個 API：

• 安全：API 應(yīng)防止常見錯誤，如內(nèi)存泄漏、數(shù)據(jù)競爭或無效操作等，這些錯誤可能會導致崩潰或安全問題。
• 可移植：API 應(yīng)該在不同的瀏覽器和平臺上一致地工作，而不需要特定于供應(yīng)商的擴展或解決方法。
• 表現(xiàn)力：API 應(yīng)允許開發(fā)人員充分利用現(xiàn)代 GPU 的潛力，而不影響性能或靈活性。

Chromium 團隊于 2017 年初展示了名為 NXT 的第一個概念原型。NXT 實現(xiàn)了一個新的 API，它可以在帶有 OpenGL 的 Chromium 中運行，或者與 OpenGL 和 Metal 獨立運行。NXT 借鑒了所有 Vulkan、Direct3D 12 和 Metal 原生 API 的概念。

2020 年，WebGPU 進入第一個公共工作草案階段，這意味著該規(guī)范足夠穩(wěn)定，可以接受公眾審查和反饋。該規(guī)范定義了 JavaScript API 和基于 SPIR-V 的 WebGPU 著色語言 (WGSL)，旨在與現(xiàn)有的著色語言（如 HLSL 和 GLSL）兼容。

在2021年，WebGPU 達到了候選推薦階段，這意味著規(guī)范已經(jīng)可以進行實現(xiàn)測試和互操作性評估。規(guī)范還定義了一些可選特性，這些特性可以根據(jù)瀏覽器的平臺支持進行啟用，例如深度鉗位、各向異性濾波、紋理壓縮 BC 等。

2023 年，WebGPU 進入提議推薦階段，這意味著該規(guī)范已準備好接受 W3C 主席的認可。該規(guī)范還定義了一些實驗性功能，瀏覽器可以在標志或前綴下啟用這些功能，例如光線追蹤或可變速率著色。

2023 年 4 月 6 日，Google 宣布 Chromium/Chrome 瀏覽器將從 Chromium/Chrome 113 開始在支持 Vulkan 的 ChromeOS 設(shè)備、macOS 和具有 Direct3D 12 的 Windows 設(shè)備上啟用 WebGPU 支持。對包括 Linux 和 Android 在內(nèi)的其他平臺的 WebGPU 支持將在之后進行添加。

WebGPU對Web 3開發(fā)的影響

WebGPU 對 Web 3 開發(fā)有這深遠的影響，因為它實現(xiàn)了 WebGL 不可能或不可行的新可能性和場景。WebGPU 的一些用例如下：

• 高性能圖形和計算：WebGPU 允許開發(fā)人員利用現(xiàn)代 GPU 的強大功能在 Web 上創(chuàng)建令人驚嘆的視覺效果和復雜的模擬。WebGPU 可以處理大量數(shù)據(jù)和并行計算，例如粒子系統(tǒng)、流體動力學、物理引擎、機器學習等。WebGPU 還可以支持高級渲染技術(shù)，例如光線追蹤、陰影、反射、環(huán)境遮擋等。
• 跨平臺兼容性：WebGPU 在不同的瀏覽器和平臺上一致地工作，不需要供應(yīng)商特定的擴展或解決方法。WebGPU 還可以在支持 Vulkan、Metal 或 Direct3D 12 的移動設(shè)備上運行，這些設(shè)備涵蓋了大多數(shù)現(xiàn)代智能手機和平板電腦。這意味著開發(fā)人員可以創(chuàng)建在任何設(shè)備上都能流暢運行的 Web 應(yīng)用。
• 面向未來：WebGPU 旨在可擴展并適應(yīng)未來的 GPU 功能和技術(shù)。WebGPU 可以將新功能公開為可選擴展或?qū)嶒炐怨δ埽瑸g覽器可以根據(jù)其平臺支持啟用這些功能。這意味著開發(fā)人員可以使用最新和最強大的 GPU 功能，而無需等待標準趕上或冒兼容性問題的風險。
• Web 3：WebGPU 可以使 Web 應(yīng)用與去中心化網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議進行交互，例如區(qū)塊鏈、IPFS 等。WebGPU 還可以支持 Web 上的安全和可驗證計算，例如零知識證明、同態(tài)加密等。這意味著開發(fā)人員可以創(chuàng)建更透明、更可靠、更有彈性的 Web 應(yīng)用。
• 元宇宙：WebGPU 可以使 Web 應(yīng)用能夠在 Web 上創(chuàng)建身臨其境的交互式虛擬世界和體驗。WebGPU 可以支持大型場景和環(huán)境、復雜的動畫和交互、逼真的光照和材料、空間音頻和觸覺等。這意味著開發(fā)人員可以創(chuàng)建更具吸引力、社交性和趣味性的 Web 應(yīng)用。

WebGPU 入門

要開始使用 WebGPU，需要一個支持它的瀏覽器（例如 Chrome 113 或更高版本）和一個具有兼容 GPU 的設(shè)備（例如支持 Vulkan 的 Chromebook）。還需要一些 JavaScript 和圖形編程的基本知識。

以下是使用 WebGPU 在 canvas 元素上繪制三角形的例子：

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

// 從 canvas 獲取 WebGPU 上下文
const context = canvas.getContext("webgpu");
// 從上下文中獲取默認適配器 (GPU)
const adapter = await context.getAdapter();
// 從適配器獲取設(shè)備（GPU 的邏輯表示）
const device = await adapter.requestDevice();
// 從上下文中創(chuàng)建交換鏈（一組用于顯示幀的緩沖區(qū)）
const swapChainFormat = "bgra8unorm";
const swapChain = context.configureSwapChain({
  device,
  format: swapChainFormat,
});
// 從設(shè)備創(chuàng)建著色器模塊（著色器代碼的容器）
const shaderModule = device.createShaderModule({
  code: `
    // 頂點著色器
    [[stage(vertex)]]
    fn main([[builtin(vertex_index)]] index: u32) -> [[builtin(position)]] vec4<f32> {
      // 定義三角形頂點的位置
      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),
      );
      // 返回當前頂點的位置
      return vec4<f32>(positions[index], 0.0, 1.0);
    }
    // 片段著色器
    [[stage(fragment)]]
    fn main() -> [[location(0)]] vec4<f32> {
      // 返回三角形的顏色（紅色）
      return vec4<f32>(1.0, 0.0, 0.0, 1.0);
    }
  `,
});
// 從設(shè)備創(chuàng)建管道（用于渲染的一系列操作）
const pipeline = device.createRenderPipeline({
  // 指定頂點階段（著色器模塊和入口點）
  vertex: {
    module: shaderModule,
    entryPoint: "main",
  },
  // 指定片段階段（著色器模塊和入口點）
  fragment: {
    module: shaderModule,
    entryPoint: "main",
    // 指定輸出格式和位置
    targets: [
      {
        format: swapChainFormat,
      },
    ],
  },
  // 指定原始拓撲（頂點如何連接）
  primitive: {
    topology: "triangle-list",
  },
});

// 從設(shè)備創(chuàng)建命令編碼器（用于記錄命令的輔助對象）
const commandEncoder = device.createCommandEncoder();

// 從交換鏈中獲取當前紋理（緩沖區(qū)）
const texture = swapChain.getCurrentTexture();

// 從命令編碼器創(chuàng)建渲染通道（一組用于渲染的命令）
const renderPass = commandEncoder.beginRenderPass({
  // 指定輸出紋理和顏色
  colorAttachments: [
    {
      view: texture.createView(),
      loadValue: [0.5, 0.5, 0.5, 1], // gray
      storeOp: "store",
    },
  ],
});

// 為渲染過程設(shè)置 pipeline
renderPass.setPipeline(pipeline);

// 繪制三角形（3 個頂點，1 個實例）
renderPass.draw(3, 1, 0, 0);

// 結(jié)束渲染過程
renderPass.endPass();

// 從命令編碼器獲取命令緩沖區(qū)（命令的容器）
const commandBuffer = commandEncoder.finish();

// 將命令緩沖區(qū)提交到設(shè)備隊列（要執(zhí)行的命令列表）
device.queue.submit([commandBuffer]);

// 請求一個動畫幀來渲染下一幀
requestAnimationFrame(render);

WebGPU 資源和工具

要構(gòu)建 WebGPU，需要一些工具和資源來完成開發(fā)過程。可以使用的一些工具和資源如下：

• WebGPU 示例：WebGPU 示例和演示的集合，展示了如何使用 WebGPU 的各種功能和技術(shù)。可以瀏覽代碼、在線運行示例或?qū)⑺鼈兿螺d到本地計算機。這些示例還包括一個 WebGPU 幫助程序庫，可以簡化一些常見的任務(wù)和操作。地址：https://austineng.github.io/webgpu-samples/。
• WebGPU Playground：WebGPU 的在線編輯器和 Playground，可讓在瀏覽器中編寫和運行 WebGPU 代碼。還可以與其他人共享代碼。地址：https://webgpu-playground.netlify.app/。
• WebGPU 文檔：WebGPU 的官方文檔，解釋了 API 的概念、術(shù)語和功能。還可以在 WebGPU 上找到指向其他資源和教程的鏈接。地址：https://gpuweb.github.io/gpuweb/。
• WebGPU 著色語言 (WGSL) 規(guī)范：WGSL 的官方規(guī)范，WebGPU 的著色語言，它定義了 WGSL 的語法、語義和特性。還可以找到指向 WGSL 的其他資源和工具的鏈接。地址：https://gpuweb.github.io/gpuweb/wgsl/。
• WGSL Playground：WGSL 的在線編輯器，可讓在瀏覽器中編寫和運行 WGSL 代碼。還可以與其他人共享代碼。地址：https://timjones.io/wgsl-playground/。

使用這些工具和資源，可以了解有關(guān) WebGPU 的更多信息并創(chuàng)建自己的示例和應(yīng)用。還可以探索其他使用 WebGPU 的示例和項目，例如：

• Babylon.js：一個功能強大且功能豐富的 Web 3D 引擎，支持將 WebGPU 作為渲染后端。官網(wǎng)：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：一個流行的輕量級 Web 3D 庫，支持將 WebGPU 作為實驗性渲染器。官網(wǎng)：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：基于物理的實時渲染引擎，適用于 Android、iOS、Windows、Linux、macOS 和 WebGL/WebGPU，支持高質(zhì)量圖形和光照效果。官網(wǎng)：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：一個用于機器學習的 JavaScript 庫，支持 WebGPU 作為加速計算的后端。官網(wǎng)：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();

這些只是使用 WebGPU 的一些示例和項目。隨著 WebGPU 得到更廣泛的采用和支持們可以期待在未來看到更多使用 WebGPU 的驚人和創(chuàng)新的 Web 應(yīng)用。

小結(jié)

WebGPU 為 Web 平臺上的高級圖形和高性能計算提供了無限可能。盡管目前瀏覽器支持仍然有限，但 WebGPU 在如今是非常值得探索的，并且在未來只會變得更加強大和廣泛支持。Web 作為 3D、可視化、模擬等領(lǐng)域的一個引人注目的選擇繼續(xù)向前發(fā)展。