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WebGPU の新機能（Chrome 120）

François Beaufort

WGSL での 16 ビット浮動小数点値のサポート

WGSL の f16 型は、IEEE-754 binary16（半精度）形式の 16 ビット浮動小数点値のセットです。つまり、従来の単精度浮動小数点数（f32）の 32 ビットに対して、浮動小数点数を表現するために 16 ビットを使用します。このようにサイズが小さくなると、特に大量のデータを処理する場合に、パフォーマンスが大幅に向上する可能性があります。

比較すると、Apple M1 Pro デバイスでは、WebLLM チャットのデモで使用される Llama2 7B モデルの f16 実装は f32 実装よりも大幅に速く、次のスクリーンショットに示すように事前入力速度が 28%、デコード速度が 41% 向上しています。

f32 および f16 Llama2 7B モデルを使用した WebLLM チャットのデモのスクリーンショット。 — `f32`（左）と `f16`（右）の Llama2 7B モデルを使用した WebLLM チャットのデモ。

すべての GPU が 16 ビットの浮動小数点値をサポートしているわけではありません。GPUAdapter で "shader-f16" 機能が利用できる場合、この機能を含む GPUDevice をリクエストし、半精度浮動小数点型 f16 を利用する WGSL シェーダーモジュールを作成できるようになりました。このタイプは、enable f16; で f16 WGSL 拡張機能を有効にしている場合にのみ、WGSL シェーダーモジュールで使用できます。それ以外の場合は、createShaderModule() によって検証エラーが生成されます。次の最小限の例と issue dawn:1510 をご覧ください。

const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
if (!adapter.features.has("shader-f16")) {
  throw new Error("16-bit floating-point value support is not available");
}
// Explicitly request 16-bit floating-point value support.
const device = await adapter.requestDevice({
  requiredFeatures: ["shader-f16"],
});

const code = `
  enable f16;

  @compute @workgroup_size(1)
  fn main() {
    const c : vec3h = vec3<f16>(1.0h, 2.0h, 3.0h);
  }
`;

const shaderModule = device.createShaderModule({ code });
// Create a compute pipeline with this shader module
// and run the shader on the GPU...

次のスニペットに示すように、"shader-f16" 機能のサポートに応じて、WGSL シェーダーモジュールコードでは alias で f16 型と f32 型の両方をサポートできます。

const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();
const hasShaderF16 = adapter.features.has("shader-f16");

const device = await adapter.requestDevice({
  requiredFeatures: hasShaderF16 ? ["shader-f16"] : [],
});

const header = hasShaderF16
  ? `enable f16;
     alias min16float = f16;`
  : `alias min16float = f32;`;

const code = `
  ${header}

  @compute @workgroup_size(1)
  fn main() {
    const c = vec3<min16float>(1.0, 2.0, 3.0);
  }
`;

限界に挑戦

デフォルトでは、レンダリングパイプライン出力データの 1 つのサンプル（ピクセルまたはサブピクセル）を保持するために必要な最大バイト数は、すべてのカラーアタッチメントで 32 バイトです。maxColorAttachmentBytesPerSample の上限を使用して、64 個までリクエストできるようになりました。次の例と issue dawn:2036 をご覧ください。

const adapter = await navigator.gpu.requestAdapter();

if (adapter.limits.maxColorAttachmentBytesPerSample < 64) {
  // When the desired limit isn't supported, take action to either fall back to
  // a code path that does not require the higher limit or notify the user that
  // their device does not meet minimum requirements.
}

// Request highest limit of max color attachments bytes per sample.
const device = await adapter.requestDevice({
  requiredLimits: { maxColorAttachmentBytesPerSample: 64 },
});

ステージ間通信に使用される maxInterStageShaderVariables と maxInterStageShaderComponents の上限が、すべてのプラットフォームで引き上げられました。詳しくは、issue dawn:1448 をご覧ください。

各シェーダーステージで、パイプラインレイアウト（ストレージバッファ）全体のバインドグループレイアウトエントリの最大数は、デフォルトでは 8 です。maxStorageBuffersPerShaderStage の上限を使用して、10 個までリクエストできるようになりました。issue dawn:2159 をご覧ください。

maxBindGroupsPlusVertexBuffers の新しい上限が追加されました。これは、同時に使用されるバインドグループと頂点バッファスロットの最大数で構成され、最も高いインデックスを下回る空のスロットをカウントします。デフォルト値は 24 です。issue dawn:1849 をご覧ください。

奥行きステンシルの状態の変更

デベロッパーエクスペリエンスを向上させるため、深度ステンシルの状態の depthWriteEnabled 属性と depthCompare 属性が不要になりました。depthWriteEnabled は奥行きのあるフォーマットでのみ必須で、奥行きのあるフォーマットでは、使用しない場合の depthCompare は不要です。issue dawn:2132 をご覧ください。

アダプタ情報の更新

ユーザーが chrome://flags/#enable-webgpu-developer-features で「WebGPU デベロッパー機能」フラグを有効にしている場合に、requestAdapterInfo() を呼び出すと、標準以外の type と backend のアダプタ情報属性を利用できるようになりました。type には、「Discrete GPU」、「integrated GPU」、「CPU」、「unknown」のいずれかを指定できます。backend は、「WebGPU」、「D3D11」、「D3D12」、「metal」、「vulkan」、「openGL」、「openGLES」、「null」のいずれかです。issue dawn:2112 と issue dawn:2107 をご覧ください。

バックエンドとアダプタ情報を入力する https://webgpureport.org のスクリーンショット。 — https://webgpureport.org に表示されるアダプタ情報のバックエンドとタイプ。

requestAdapterInfo() のオプション unmaskHints リストパラメータが削除されました。Issue dawn:1427 をご覧ください。

タイムスタンプクエリの量子化

タイムスタンプクエリを使用すると、アプリケーションでナノ秒単位の精度で GPU コマンドの実行時間を測定できます。ただし、WebGPU の仕様では、タイミング攻撃への懸念から、タイムスタンプクエリの使用は任意となっています。Chrome チームは、タイムスタンプクエリの量子化によって、解像度を 100 マイクロ秒に下げることで、精度とセキュリティの適切な妥協点が得られると考えています。issue dawn:1800 をご覧ください。

Chrome では、chrome://flags/#enable-webgpu-developer-features で「WebGPU Developer Features」フラグを有効にすると、タイムスタンプ量子化を無効にできます。このフラグだけでは "timestamp-query" 機能は有効になりません。その実装はまだ試験運用版であるため、chrome://flags/#enable-unsafe-webgpu で「安全でない WebGPU サポート」フラグが必要です。

Dawn では、「timestamp_quantization」という新しいデバイス切り替えが追加され、デフォルトで有効になっています。次のスニペットは、デバイスをリクエストするときに、試験運用版の「timestamp-query」機能をタイムスタンプ量子化なしで許可する方法を示しています。

wgpu::DawnTogglesDescriptor deviceTogglesDesc = {};

const char* allowUnsafeApisToggle = "allow_unsafe_apis";
deviceTogglesDesc.enabledToggles = &allowUnsafeApisToggle;
deviceTogglesDesc.enabledToggleCount = 1;

const char* timestampQuantizationToggle = "timestamp_quantization";
deviceTogglesDesc.disabledToggles = &timestampQuantizationToggle;
deviceTogglesDesc.disabledToggleCount = 1;

wgpu::DeviceDescriptor desc = {.nextInChain = &deviceTogglesDesc};

// Request a device with no timestamp quantization.
myAdapter.RequestDevice(&desc, myCallback, myUserData);

大掃除機能

試験運用版の「timestamp-query-inside-passes」機能の名前を「chromium-experimental-timestamp-query-inside-passes」に変更し、この機能が試験運用版であり、現時点では Chromium ベースのブラウザでのみ使用できることをデベロッパーに明確に示します。issue dawn:1193 をご覧ください。

試験運用版の「pipeline-statistics-query」機能は、部分的にしか実装されていませんでしたが、開発されなくなったため削除されました。問題 chromium:1177506 をご覧ください。

ここでは、重要なハイライトの一部についてのみ説明します。commit の完全なリストを確認する。