Web 已从共享文本和图像的媒介发展成为支持 2D 和 3D 图形、复杂动画和高性能计算的交互式平台。随着 Web 技术的不断发展，对高效、低级的图形和计算功能访问的需求日益增长。WebGPU 是一种新兴的 Web 标准，旨在通过为 Web 上的图形和计算操作提供现代界面来满足这些要求。

在这篇综合性文章中，我们将探索 WebGPU 的来龙去脉，涵盖其设计、实现和实际应用。我们将重点介绍 WebGPU 着色语言 WGSL、其演变及其与 SPIR-V 语言的关系。我们还将深入研究 Chrome、Firefox 和 Safari 等主流浏览器中 WebGPU 的实现状态。

WebGPU 是专为 Web 上的高性能图形和计算编程而设计的 API。它基于现代 GPU 功能构建，旨在提供高效的低级接口来访问这些功能。目标是提供比 WebGL（Web 上的 3D 图形的当前标准）更强大、更灵活的 API。WebGPU 旨在减少驱动程序开销并实现 GPU 资源的有效利用，同时提供简单安全的编程模型。

WGSL：WebGPU 的着色语言

WebGPU 使用自己的着色语言，称为 WGSL（WebGPU 着色语言）。着色语言用于编写着色器，着色器是在 GPU 上运行以执行图形和计算任务的小程序。

WGSL 的演变

WGSL 最初设计为可轻松转换为 SPIR-V，SPIR-V 是现代 GPU 广泛支持的低级着色器中间表示。然而，在收到社区反馈后，WGSL 设计被重定向为采用更传统的方法，类似于 GLSL 和 HLSL 等其他着色语言。

语法和特点

WGSL 的语法类似于 Rust，Rust 是一种以安全性和性能著称的流行系统编程语言。WGSL 的一些主要功能包括：

• 静态类型：与 Rust 一样，WGSL 是静态类型的，这有助于在编译时捕获错误并避免运行时问题。
• 模块和功能：WGSL 通过使用模块和功能支持模块化，允许代码重用和更好的组织。
• 控制流构造：WGSL 包括常见的控制流构造，如循环和条件，用于灵活且富有表现力的着色器代码。

WGSL 和 SPIR-V

尽管最初的设计目标（让 WGSL 可以轻松翻译为 SPIR-V）被放弃了，但这两种语言之间仍然存在着密切的关系。WGSL 可以编译为 SPIR-V，然后由底层图形和计算 API（如 Vulkan 和 DirectX 12）使用。这确保了 WGSL 可以利用不同平台和 GPU 对 SPIR-V 的广泛支持。

Tint 和 Naga：WGSL 的编译器

Tint：谷歌的编译器

Tint 是 Google 开发的 WGSL 编译器。它通过将 WGSL 着色器转换为可在各种平台上执行的格式，成为 WebGPU 生态系统中的关键组件。Tint 支持将 WGSL 代码转换为 SPIR-V，然后 Vulkan、DirectX 12 和 Metal 等图形和计算 API 可以使用该代码。

Tint 的一些主要功能包括：

• 强大的错误报告：Tint 提供详细的错误消息和诊断，以帮助开发人员识别和修复着色器代码中的问题。
• 广泛的测试：Tint 的开发伴随着全面的测试套件，以确保编译器的正确性和可靠性。
• 跨平台支持：Tint 可以在多个平台上使用，包括 Windows、macOS 和 Linux。

Naga：wgpu-rs 的编译器

Naga 是另一个编译器项目，旨在满足 wgpu-rs（WebGPU 的 Rust 实现）的需求。与 Tint 类似，Naga 旨在将 WGSL 着色器转换为可以在各种平台上执行的格式。Naga 的主要重点是支持 Rust 和 wgpu-rs 生态系统，但它也可以用作通用 WGSL 编译器。

Naga 的一些显著特点包括：

• Rust 集成：Naga 的设计考虑了 Rust 编程语言和生态系统，使其成为使用 wgpu-rs 的项目的自然选择。
• 模块化架构：Naga 的架构围绕模块化组件构建，这些组件可以组合起来以支持各种源语言和目标语言。
• 安全性和性能：Naga 致力于生成高效、安全的代码，利用 Rust 的安全特性和性能优化。

WebGPU 实现

WebGPU 在各大浏览器中的实现是一项持续不断的努力，进展和支持程度各不相同。

Chrome 和 Firefox 支持

Chrome 和 Firefox 都支持使用 SPIR-V 的 WebGPU，并且正在努力开发对 WGSL 前端的支持。谷歌于 2023 年 4 月 6 日宣布，Chrome 浏览器背后的开源项目 Chromium 现在支持 ChromeOS、macOS 和 Windows 平台上的 WebGPU。这是采用 WebGPU 的一个重要里程碑，使大量用户和开发人员能够使用它。

Safari 和 WebKit 实现

Safari 曾经使用 WSL（WebGPU 着色语言）支持 WebGPU 原型，但此实现已过时，并被删除，以期 Safari 使用的浏览器引擎 WebKit 取得进展。WebKit 团队正在积极致力于实现 WebGPU 和 WGSL 的上游规范，确保最终实现符合最新标准。

WebGPU 的实际应用

随着 WebGPU 的成熟并获得广泛支持，我们可以期待各种各样的实际应用出现。WebGPU 的一些潜在用例包括：

• 高性能网页游戏：WebGPU 可以让开发者创建视觉上更令人印象深刻、计算密集型的游戏，这些游戏可以直接在浏览器中运行，而无需插件或额外的软件。
• 科学可视化和模拟：WebGPU 可用于渲染复杂的 3D 可视化并运行模拟以进行科学研究和数据分析，从而利用现代 GPU 的处理能力。
• 机器学习和人工智能：WebGPU 的计算能力可以用来执行机器学习任务并在浏览器中运行人工智能模型，从而实现一类新的智能 Web 应用程序。
• 虚拟和增强现实：WebGPU 可以提供必要的性能和功能来支持基于网络的虚拟和增强现实体验，扩展网络上沉浸式内容的可能性。

挑战与未来方向

虽然 WebGPU 对 Web 上的图形和计算的未来有着巨大的希望，但仍存在一些挑战和需要持续研究的领域：

• 浏览器兼容性：确保 WebGPU 在不同浏览器上一致运行是其成功的关键。随着实施的进展，开发人员需要在多个浏览器上测试他们的应用程序并报告任何不一致之处，以帮助改进规范和实施。
• 性能优化：与任何新技术一样，优化 WebGPU 以实现最佳性能将是一个持续的过程。开发人员和浏览器供应商需要密切合作，以识别和解决性能瓶颈。
• 安全和隐私：WebGPU 提供对 GPU 资源的低级访问，这引发了人们对潜在安全和隐私风险的担忧。制定保障措施和最佳实践以防止恶意使用 WebGPU 并保护用户隐私至关重要。
• 开发人员采用：鼓励开发人员采用 WebGPU 并投入学习新的 API 和着色语言对于其长期成功至关重要。这包括提供全面的文档、示例和教程，以帮助开发人员入门并熟练使用 WebGPU。

结论

WebGPU 代表着 Web 图形和计算能力发展的重要一步。它的设计和实现（包括采用 WGSL 作为着色语言）表明了其致力于为开发人员提供强大、高效且易于访问的 API，以创建视觉效果令人惊叹且计算密集型的 Web 应用程序。

随着浏览器供应商不断实现和完善其 WebGPU 支持，我们可以期待看到越来越多的实际应用程序利用这项前景光明的技术。通过应对挑战并突破 Web 上的极限，WebGPU 有可能在未来几年内改变我们与 Web 应用程序、游戏和沉浸式体验的互动方式。