Là một nhà phát triển WebGL, bạn có thể vừa lo lắng vừa hào hứng khi bắt đầu sử dụng WebGPU, phiên bản kế nhiệm của WebGL, mang đến những tiến bộ của API đồ hoạ hiện đại cho web.
Bạn có thể yên tâm vì WebGL và WebGPU có nhiều khái niệm cốt lõi giống nhau. Cả hai API đều cho phép bạn chạy các chương trình nhỏ gọi là chương trình đổ bóng trên GPU. WebGL hỗ trợ chương trình đổ bóng đỉnh và mảnh, trong khi WebGPU cũng hỗ trợ chương trình đổ bóng điện toán. WebGL sử dụng Ngôn ngữ đổ bóng OpenGL (GLSL) còn WebGPU sử dụng Ngôn ngữ đổ bóng WebGPU (WGSL). Mặc dù hai ngôn ngữ này khác nhau, nhưng các khái niệm cơ bản hầu như giống nhau.
Do đó, bài viết này sẽ nêu bật một số điểm khác biệt giữa WebGL và WebGPU để giúp bạn bắt đầu.
Trạng thái toàn cục
WebGL có nhiều trạng thái toàn cục. Một số chế độ cài đặt áp dụng cho tất cả các thao tác kết xuất, chẳng hạn như kết cấu và vùng đệm nào được liên kết. Bạn đặt trạng thái toàn cục này bằng cách gọi nhiều hàm API và trạng thái này sẽ có hiệu lực cho đến khi bạn thay đổi. Trạng thái toàn cục trong WebGL là nguồn lỗi chính, vì bạn dễ quên thay đổi chế độ cài đặt toàn cục. Ngoài ra, trạng thái toàn cục khiến việc chia sẻ mã trở nên khó khăn, vì nhà phát triển cần cẩn thận để không vô tình thay đổi trạng thái toàn cục theo cách ảnh hưởng đến các phần khác của mã.
WebGPU là một API không có trạng thái và không duy trì trạng thái toàn cục. Thay vào đó, WebGL sử dụng khái niệm quy trình để đóng gói tất cả trạng thái kết xuất trên toàn cục. Quy trình chứa thông tin như kiểu kết hợp, cấu trúc liên kết và thuộc tính cần sử dụng. Quy trình không thể thay đổi. Nếu muốn thay đổi một số chế độ cài đặt, bạn cần tạo một quy trình khác. WebGPU cũng sử dụng trình mã hoá lệnh để nhóm các lệnh lại với nhau và thực thi các lệnh đó theo thứ tự được ghi lại. Điều này hữu ích trong việc lập bản đồ bóng, chẳng hạn như trong một lượt truyền qua các đối tượng, ứng dụng có thể ghi lại nhiều luồng lệnh, mỗi luồng lệnh cho một bản đồ bóng của ánh sáng.
Tóm lại, vì mô hình trạng thái toàn cầu của WebGL khiến việc tạo các thư viện và ứng dụng mạnh mẽ, có khả năng kết hợp trở nên khó khăn và dễ hỏng, nên WebGPU đã giảm đáng kể lượng trạng thái mà nhà phát triển cần theo dõi trong khi gửi lệnh đến GPU.
Không đồng bộ hoá nữa
Trên GPU, việc gửi lệnh và chờ lệnh một cách đồng bộ thường không hiệu quả vì điều này có thể làm sạch quy trình và gây ra bong bóng. Điều này đặc biệt đúng trong WebGPU và WebGL, sử dụng cấu trúc đa quy trình với trình điều khiển GPU chạy trong một quy trình riêng biệt với JavaScript.
Ví dụ: trong WebGL, việc gọi gl.getError() yêu cầu một IPC đồng bộ từ quy trình JavaScript đến quy trình GPU và ngược lại. Điều này có thể gây ra bong bóng ở phía CPU khi hai quy trình giao tiếp.
Để tránh những bong bóng này, WebGPU được thiết kế hoàn toàn không đồng bộ. Mô hình lỗi và tất cả các thao tác khác diễn ra không đồng bộ. Ví dụ: khi bạn tạo một hoạ tiết, thao tác này có vẻ như thành công ngay lập tức, ngay cả khi hoạ tiết đó thực sự là một lỗi. Bạn chỉ có thể phát hiện lỗi không đồng bộ. Thiết kế này giúp bong bóng trò chuyện giao tiếp giữa các quy trình không bị gián đoạn và mang lại hiệu suất đáng tin cậy cho các ứng dụng.
Chương trình đổ bóng điện toán
Chương trình đổ bóng điện toán là các chương trình chạy trên GPU để thực hiện các phép tính chung. Các tính năng này chỉ có trong WebGPU, chứ không có trong WebGL.
Không giống như chương trình đổ bóng đỉnh và mảnh, chương trình đổ bóng này không chỉ giới hạn ở việc xử lý đồ hoạ mà còn có thể được dùng cho nhiều tác vụ, chẳng hạn như học máy, mô phỏng vật lý và tính toán khoa học. Chương trình đổ bóng điện toán được thực thi song song bởi hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn luồng, giúp các chương trình này xử lý các tập dữ liệu lớn rất hiệu quả. Tìm hiểu về tính năng điện toán GPU và thông tin chi tiết hơn trong bài viết chuyên sâu này về WebGPU.
Xử lý khung hình video
Việc xử lý khung hình video bằng JavaScript và WebAssembly có một số hạn chế: chi phí sao chép dữ liệu từ bộ nhớ GPU sang bộ nhớ CPU và khả năng song song bị hạn chế có thể đạt được với worker và luồng CPU. WebGPU không có những hạn chế đó, nhờ đó, WebGPU rất phù hợp để xử lý khung hình video nhờ khả năng tích hợp chặt chẽ với API WebCodecs.
Đoạn mã sau đây cho biết cách nhập VideoFrame dưới dạng hoạ tiết bên ngoài trong WebGPU và xử lý video đó. Bạn có thể thử bản minh hoạ này.
// Init WebGPU device and pipeline...
// Configure canvas context...
// Feed camera stream to video...
(function render() {
const videoFrame = new VideoFrame(video);
applyFilter(videoFrame);
requestAnimationFrame(render);
})();
function applyFilter(videoFrame) {
const texture = device.importExternalTexture({ source: videoFrame });
const bindgroup = device.createBindGroup({
layout: pipeline.getBindGroupLayout(0),
entries: [{ binding: 0, resource: texture }],
});
// Finally, submit commands to GPU
}
Tính năng di chuyển ứng dụng theo mặc định
WebGPU buộc bạn phải yêu cầu limits. Theo mặc định, requestDevice() trả về một GPUDevice có thể không khớp với khả năng phần cứng của thiết bị thực, mà là một mẫu số chung hợp lý và thấp nhất của tất cả GPU. Bằng cách yêu cầu nhà phát triển yêu cầu giới hạn thiết bị, WebGPU đảm bảo rằng các ứng dụng sẽ chạy trên nhiều thiết bị nhất có thể.
Xử lý Canvas
WebGL tự động quản lý canvas sau khi bạn tạo một ngữ cảnh WebGL và cung cấp các thuộc tính ngữ cảnh như alpha, antialias, colorSpace, depth, preserveDrawingBuffer hoặc stencil.
Mặt khác, WebGPU yêu cầu bạn tự quản lý canvas. Ví dụ: để đạt được hiệu ứng khử răng cưa trong WebGPU, bạn sẽ tạo một hoạ tiết nhiều mẫu và kết xuất hoạ tiết đó. Sau đó, bạn sẽ phân giải hoạ tiết nhiều mẫu thành hoạ tiết thông thường và vẽ hoạ tiết đó lên canvas. Phương thức quản lý thủ công này cho phép bạn xuất ra nhiều canvas như bạn muốn từ một đối tượng GPUDevice. Ngược lại, WebGL chỉ có thể tạo một ngữ cảnh cho mỗi canvas.
Hãy xem bản minh hoạ WebGPU Multiple Canvases.
Ngoài ra, trình duyệt hiện có giới hạn về số lượng canvas WebGL trên mỗi trang. Tại thời điểm viết bài, Chrome và Safari chỉ có thể sử dụng tối đa 16 canvas WebGL đồng thời; Firefox có thể tạo tối đa 200 canvas. Mặt khác, không có giới hạn về số lượng canvas WebGPU trên mỗi trang.
Thông báo lỗi hữu ích
WebGPU cung cấp một ngăn xếp lệnh gọi cho mọi thông báo được trả về từ API. Điều này có nghĩa là bạn có thể nhanh chóng xem vị trí xảy ra lỗi trong mã, điều này rất hữu ích để gỡ lỗi và khắc phục lỗi.
Ngoài việc cung cấp ngăn xếp lệnh gọi, thông báo lỗi WebGPU cũng dễ hiểu và có thể hành động. Thông báo lỗi thường bao gồm nội dung mô tả lỗi và đề xuất cách khắc phục lỗi.
WebGPU cũng cho phép bạn cung cấp label tuỳ chỉnh cho mỗi đối tượng WebGPU. Sau đó, trình duyệt sẽ sử dụng nhãn này trong thông báo GPUError, cảnh báo bảng điều khiển và công cụ dành cho nhà phát triển trình duyệt.
Từ tên đến chỉ mục
Trong WebGL, nhiều thứ được kết nối bằng tên. Ví dụ: bạn có thể khai báo một biến đồng nhất có tên là myUniform trong GLSL và lấy vị trí của biến đó bằng gl.getUniformLocation(program, 'myUniform'). Điều này rất hữu ích khi bạn gặp lỗi nếu nhập sai tên biến đồng nhất.
Mặt khác, trong WebGPU, mọi thứ đều được kết nối hoàn toàn bằng độ dời byte hoặc chỉ mục (thường được gọi là vị trí). Bạn có trách nhiệm đồng bộ hoá vị trí của mã trong WGSL và JavaScript.
Tạo mipmap
Trong WebGL, bạn có thể tạo mip cấp 0 của hoạ tiết, sau đó gọi gl.generateMipmap(). Sau đó, WebGL sẽ tạo tất cả các cấp mip khác cho bạn.
Trong WebGPU, bạn phải tự tạo mipmap. Không có hàm tích hợp nào để thực hiện việc này. Hãy xem cuộc thảo luận về thông số kỹ thuật để tìm hiểu thêm về quyết định này. Bạn có thể sử dụng các thư viện tiện dụng như webgpu-utils để tạo mipmap hoặc tìm hiểu cách tự tạo.
Vùng đệm lưu trữ và hoạ tiết lưu trữ
Cả WebGL và WebGPU đều hỗ trợ vùng đệm đồng nhất và cho phép bạn truyền các tham số hằng số có kích thước giới hạn đến chương trình đổ bóng. Vùng đệm lưu trữ (storage buffer) trông rất giống với vùng đệm đồng nhất (uniform buffer), chỉ được WebGPU hỗ trợ và mạnh mẽ và linh hoạt hơn so với vùng đệm đồng nhất.
Dữ liệu bộ đệm bộ nhớ được truyền đến chương trình đổ bóng có thể lớn hơn nhiều so với bộ đệm đồng nhất. Mặc dù thông số kỹ thuật cho biết các liên kết bộ đệm đồng nhất có thể có kích thước tối đa là 64 KB (xem
maxUniformBufferBindingSize) , nhưng kích thước tối đa của liên kết bộ đệm bộ nhớ phải ít nhất là 128 MB trong WebGPU (xemmaxStorageBufferBindingSize).Vùng đệm bộ nhớ có thể ghi và hỗ trợ một số thao tác nguyên tử, trong khi vùng đệm đồng nhất chỉ có thể đọc. Điều này cho phép triển khai các lớp thuật toán mới.
Liên kết bộ nhớ đệm lưu trữ hỗ trợ các mảng có kích thước thời gian chạy để các thuật toán linh hoạt hơn, trong khi kích thước mảng bộ nhớ đệm đồng nhất phải được cung cấp trong chương trình đổ bóng.
Kết cấu bộ nhớ chỉ được hỗ trợ trong WebGPU và là kết cấu của bộ đệm bộ nhớ đối với bộ đệm đồng nhất. Chúng linh hoạt hơn so với các hoạ tiết thông thường, hỗ trợ ghi truy cập ngẫu nhiên (và đọc trong tương lai).
Thay đổi về vùng đệm và hoạ tiết
Trong WebGL, bạn có thể tạo một vùng đệm hoặc kết cấu, sau đó thay đổi kích thước của vùng đệm hoặc kết cấu đó bất cứ lúc nào bằng gl.bufferData() và gl.texImage2D() tương ứng.
Trong WebGPU, vùng đệm và hoạ tiết là không thể thay đổi. Điều này có nghĩa là bạn không thể thay đổi kích thước, cách sử dụng hoặc định dạng của các thẻ này sau khi tạo. Bạn chỉ có thể thay đổi nội dung của các thẻ này.
Sự khác biệt về quy ước không gian
Trong WebGL, phạm vi không gian cắt Z là từ -1 đến 1. Trong WebGPU, phạm vi không gian cắt Z là từ 0 đến 1. Điều này có nghĩa là các đối tượng có giá trị z là 0 sẽ ở gần máy ảnh nhất, trong khi các đối tượng có giá trị z là 1 sẽ ở xa nhất.
WebGL sử dụng quy ước OpenGL, trong đó trục Y hướng lên và trục Z hướng về phía người xem. WebGPU sử dụng quy ước Metal, trong đó trục Y hướng xuống và trục Z hướng ra khỏi màn hình. Xin lưu ý rằng hướng trục Y là xuống trong toạ độ vùng đệm khung hình, toạ độ khung nhìn và toạ độ mảnh/pixel. Trong không gian clip, hướng trục Y vẫn hướng lên như trong WebGL.
Lời cảm ơn
Cảm ơn Corentin Wallez, Gregg Tavares, Stephen White, Ken Russell và Rachel Andrew đã xem xét bài viết này.
Bạn cũng nên tham khảo WebGPUFundamentals.org để tìm hiểu sâu về sự khác biệt giữa WebGPU và WebGL.