なぜ「WebGLの後継」が必要なのか

GPUは進化している

従来、GPUハードウェアの持つグラフィックス演算機能をソフトウェアから呼び出すには、OpenGL（Open Graphics Library）というAPIが広く利用されてきました。
そして、Webブラウザ上でGPUを使った描画を実現する手段として、OpenGLをベースに設計されたWebGLが登場しました。

しかし、OpenGLは1990年代に設計されたAPIであり、現代のGPUやCPUが持つ高度な処理能力を効率よく活かすには限界があります。

その結果、AppleやMicrosoftは、OSのアーキテクチャと親和性の高い新たなグラフィックスAPIを開発し、それぞれMetalとDirect Xとして、人気を集め始めています。
OpenGLの開発を主導していたKhronos Groupも、後継APIとしてVulkanを開発しており、現在OpenGL自体の更新はほぼ停止しているのが実情です。

このように、WebGLがベースとしているOpenGL APIが時代遅れとなった以上、WebGL自体も刷新が求められるようになりました。
最新のGPU機能をブラウザ上でも活用するには、WebGLの枠を超えた新しい仕組みが必要です。

GPUの用途は広がっている

本来GPUは、グラフィックス描画を高速化するために開発されましたが、近年では機械学習やシミュレーションといった、非グラフィックス用途での活用も急速に進んでいます。
膨大なデータを取り扱うこのような用途では、データを並列で処理できるGPUのメリットを大いに活用できるからです。

このように、汎用的な計算処理にGPUを利用する技術は、GPGPU（General-Purpose computing on GPU）と呼ばれます。

しかし、WebGLはこのような汎用的な用途を想定して設計されていないため、ブラウザでGPGPUを実現するには多くの制約がありました。

WebGLによるGPGPUの限界

WebGL 1.0の限界

WebGL 1.0では、シェーダ（GPUで動作するプログラム）で任意のデータを処理すること自体が面倒で、GPGPUの夢は遠いものでした。
WebGL 1.0でGPGPUを実現するには、次のような壁を乗り越える必要があります。

  • ユニフォームとしてシェーダに送ることができるデータ容量が少ない
  • 大量のデータを処理したい場合は、テクスチャに書き込んで渡す必要がある（このとき、高い精度が求められる場合は、浮動小数点数テクスチャを使う必要がある）
  • 頂点シェーダーでテクスチャから値を読み出すには、VTF（Vertex Texture Fetch）が使えるGPUでなければならない
  • シェーダーの出力は基本的にピクセル（ラスタライズされたグラフィックス）であり、そこからデータを取り出す手間がかかる

これらの技術的詳細については、wgld.orgの以下の記事で詳しく解説されています：

WebGL 2.0でも残る制約

WebGL 2.0では、Transform Feedbackと呼ばれる機能により、GPGPUがある程度容易になりました。

Transform Feedbackを使うと、シェーダの出力をグラフィックスとして描画するのではなく、直接バッファへ書き戻すことが可能になります。
これは、データをテクスチャ化し、演算結果もGPUで描画されたテクスチャから取り出すという、「描画結果をグラフィックスとして扱う」手法から、「計算結果をデータとしてGPUから取り出す」手法へと一歩進んだものです。

こちらに関しても、詳細はwgld.orgの次の記事で解説されています：

ただし、Transform Feedbackでも演算を行うのは依然として頂点シェーダーです。
これはグラフィックス向けに設計されたものであり、汎用計算に適した柔軟な最適化は難しいのが現状です。

本格的なGPGPUを行うには、DirectXやMetalなどが提供するコンピュートシェーダ（汎用計算専用のGPUプログラム）のような仕組みが必要になります。

WebGPUの登場

このような背景から、次世代のGPU APIとして登場したのがWebGPUです。
Vulkan、Metal、DirectX 12といった現代的なネイティブAPIの設計思想や機能をベースに、Web向けに最適化されたAPIです。

WebGLがOpenGLを薄くラップしたものだったのに対し、WebGPUはそうしたネイティブAPIを単純に模倣するのではなく、独自の抽象化を導入しています。

わざわざ独自の設計を策定しているのは、WebらしいAPIにするためともいえます。
たとえば、手動のメモリ管理など、各プラットフォームのネイティブAPIに含まれる低レベルの概念の多くは、Webには不向きなものだからです。

WebGPUは「Webらしさ」を保ちながら、どのプラットフォームのGPUでも一貫して動作できるよう設計されています。Vulkan・Metal・DirectXの間にある設計の違いをうまく抽象化しており、開発者にとって一貫性のあるAPIを提供します。

そして、WebGPUでは、コンピュートシェーダが正式にサポートされました。
これにより、グラフィックスに依存しない形で、たとえば次のような純粋なデータ処理をGPU上で高速に実行できます。

  • 機械学習の推論処理
  • 粒子シミュレーション
  • 物理エンジンの一部
  • 並列行列演算
  • etc.

WebGLと比べてWebGPUが進化した点は、コンピュートシェーダの登場（GPGPUの正式サポート）だけではありません。

WebGPUは、GPUの持つ機能をより効率的に活用できるよう、APIの設計が大きく見直されています。
次回からは、その設計思想やAPIの特徴について見ていくことにします。

Next Step

Stateから見るWebGLとWebGPU

Deep Dive