WebGPU高性能计算详解

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要实现基于WebGPU的高性能计算应用，需构建设备、缓冲区、绑定组、计算管线和命令编码器。使用WGSL编写计算着色器，合理设置线程组大小，避免分支发散，优化内存访问。通过复用资源、减少数据传输、批量提交任务提升性能，并利用错误作用域和开发者工具调试。

要实现一个基于WebGPU的高性能计算应用，核心在于充分利用GPU的并行计算能力，同时合理组织数据与着色器逻辑。WebGPU不仅支持图形渲染，还提供了通用计算（Compute Shader）能力，适合处理大规模并行任务，比如物理模拟、图像处理或机器学习推理。

1. 理解WebGPU计算管线的基本结构

WebGPU的计算任务通过计算着色器（Compute Shader）执行，运行在GPU的计算管线中。你需要构建以下关键组件：

• 设备（GPUDevice）：通过navigator.gpu.requestDevice()获取，是所有操作的基础。
• 计算着色器代码（WGSL语言）：编写运行在GPU上的并行逻辑，定义每个“工作项”（work item）的行为。
• 缓冲区（GPUBuffer）：用于在CPU和GPU之间传递数据，如输入数组、输出结果。
• 绑定组布局（Bind Group Layout）与绑定组（Bind Group）：将缓冲区绑定到着色器，使其可以访问数据。
• 计算管线（GPUComputePipeline）：配置计算着色器和资源绑定方式。
• 命令编码器（GPUCommandEncoder）：记录计算指令，并提交到队列执行。

2. 编写高效的计算着色器（WGSL）

计算着色器以“线程组”为单位调度。每个线程组包含多个线程（thread），通过@builtin(global_invocation_id)确定当前线程的位置。

• 合理设置线程组大小（如@workgroup_size(64)），避免过小导致调度开销大，或过大超出硬件限制。
• 使用storage类型的缓冲区读写大量数据，注意内存对齐（如vec类型需16字节对齐）。
• 避免分支发散，尽量让同一线程组内的线程执行相同路径。

@compute @workgroup_size(64)
fn main(
  @builtin(global_invocation_id) id : vec3<u32>,
  @binding(0) inputA : [[access(read)]] array<f32>,
  @binding(1) inputB : [[access(read)]] array<f32>,
  @binding(2) output : [[access(write)]] array<f32>
) {
  let i = id.x;
  output[i] = inputA[i] + inputB[i];
}

3. 优化数据传输与执行流程

GPU计算性能不仅取决于着色器效率，还受数据传输和调用频率影响。

• 尽量减少CPU与GPU之间的数据拷贝。使用mappedAtCreation: true初始化输入缓冲区，用device.queue.readBuffer()异步读取结果。
• 复用缓冲区和绑定组，避免频繁创建销毁资源。
• 批量提交计算任务，使用单个命令编码器编码多个dispatchWorkgroups调用。
• 对于持续计算任务（如模拟），可在requestAnimationFrame循环中运行，但注意背压控制。

4. 调试与性能监控

WebGPU目前调试工具尚不成熟，但可通过以下方式排查问题：

• 启用gpu.getPreferredCanvasFormat()前检查是否支持WebGPU。
• 使用device.pushErrorScope()捕获着色器编译、资源绑定等错误。
• 通过Chrome的“Rendering”开发者工具查看GPU执行时间。
• 打印输出缓冲区部分内容验证计算正确性。

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