GPU的新應(yīng)用:淺談瀏覽器硬件加速之爭

    泡泡網(wǎng)顯卡頻道11月3日 近段時間，我們經(jīng)?？梢詮木W(wǎng)絡(luò)上看到關(guān)于瀏覽器硬件加速的報道，似乎在一夜之間所有的瀏覽器都開始討論硬件加速這一話題，IE9、Firefox、Google Chrome 都在積極的準(zhǔn)備著為瀏覽器迎來完整硬件加速的支持。今天，我們這片文章就主要談?wù)劄g覽器的硬件加速。

● 何謂硬件加速

    根據(jù)維基百科的解釋，硬件加速就是指在計算機(jī)中通過把計算量非常大的工作分配給專門的硬件來處理來減輕中央處理器的工作量的技術(shù)。

    從上面這句話中我們就不難看出，硬件加速首先應(yīng)該具備減輕中央處理器工作量的特征，同時需要有專門的硬件來處理。為了有便于大家更好的理解，筆者在這里對“硬件加速”這個詞用更加通俗的語言解釋一下。

    大家知道，計算機(jī)中最重要的是CPU（中央處理器），它之所以重要，并不僅僅因為它是整個電腦的心臟，而且在計算能力方面是全能型的，只要是運(yùn)算方面的事情，理論上那個CPU都能夠搞定，比如CPU可以渲染圖像，可以解碼視頻、可以解碼音頻、可以3D渲染，但在執(zhí)行效率方面，就不如專門的硬件了。比如使用GPU來進(jìn)行圖像、視頻的處理，使用獨(dú)立聲卡來進(jìn)行音頻的處理，甚至在早些年，視頻解壓、采集等等都需要專門的硬件（顯卡未能支持）。

90年代使用輔助處理器實現(xiàn)的浮點(diǎn)數(shù)計算硬件加速

    在計算機(jī)中，CPU由于要管的事情太多（幾乎所有的事情它多少都會參與，至少會下達(dá)指令），所以節(jié)約CPU的資源就是硬件加速的重要目的，閑置的CPU資源就可以用來干更多的事情。這就是硬件加速的根本目的。

● GPU硬件加速

    在所有類型的硬件加速中，GPU硬件加速是最為引人注目的，甚至當(dāng)今人們一說到硬件加速就會默認(rèn)當(dāng)作GPU硬件加速，為什么GPU的硬件加速會如此受關(guān)注呢？這還得從GPU的應(yīng)用說起。

    GPU最初的功能雖然只是用來渲染圖像（2D/3D），但是由于人們對虛擬視覺的要求永無止境，導(dǎo)致現(xiàn)在GPU和CPU一樣，成為了計算機(jī)中最重要的設(shè)備之一，所以大家可能會看到，有不少的品牌電腦廠商在廣告中都將“顯卡”的介紹放在了第一位，這也是由于GPU的重要程度決定的。

    相對于其他硬件來說，GPU最大的特性就是運(yùn)算能力強(qiáng)大，甚至比CPU的運(yùn)算能力要強(qiáng)大很多倍（3D游戲渲染對運(yùn)算器的要求非常高），但由于并不是所有時間GPU都在滿負(fù)荷工作，所以如何利用GPU的潛能就成了這幾年業(yè)界關(guān)注的一個焦點(diǎn)，也就是所謂的“GPU硬件加速”。

    現(xiàn)在，有非常非常多的應(yīng)用都可以使用GPU來實現(xiàn)硬件加速，比如高清視頻的播放、視頻格式的轉(zhuǎn)換、蛋白質(zhì)折疊運(yùn)算、大規(guī)模的浮點(diǎn)運(yùn)算等等，而GPU通用計算在最近這幾年也得到了蓬勃的發(fā)展，GPU能做的事情越來越多，甚至密碼破解、病毒掃描等等亂七八糟、歪門邪道的事情都可以使用GPU加速。

    作為普通用戶進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)世界的入口，瀏覽器恐怕要數(shù)現(xiàn)在每天使用率最為頻繁的軟件，而Web應(yīng)用的趨勢讓瀏覽器可能成為今后的應(yīng)用平臺，比如Google公司即將發(fā)布的 Chrome OS 操作系統(tǒng)，就完全是一款瀏覽器操作系統(tǒng)，所有的操作都只能在瀏覽器中完成。

    HTML以及JavaScript技術(shù)的發(fā)展也讓瀏覽器中的內(nèi)容變得更加豐富和有趣，在網(wǎng)頁中辦公、玩游戲、甚至處理圖像都已經(jīng)實現(xiàn)并逐漸成為了非常平常的事情，而未來瀏覽器中還會出現(xiàn)大型的3D游戲、高清晰的多媒體視頻，如果還是像傳統(tǒng)的瀏覽器一樣，將這些工作全部都交給CPU來處理的話，CPU將不堪重負(fù)，而且壓根也完成不了這些工作。所以，瀏覽器的GPU加速已經(jīng)迫在眉睫。

    基于Web的硬件加速雖然好幾年前就一直在提，但相關(guān)的進(jìn)展一直都非常緩慢，尤其是 Google 還沒有推出 Chrome 瀏覽器的時候，瀏覽器從技術(shù)方面可以說有很多年都沒有明顯的更新。

    隨著 Google Chrome 瀏覽器的崛起，更多用戶也越來越認(rèn)識到了瀏覽器的重要性，F(xiàn)irefox 和 Google  Chrome 都雙雙蠶食著 IE瀏覽器的市場份額，在這種情況下微軟必須要振作了。Windows 7 發(fā)布之前，微軟推出了 IE 8瀏覽器，現(xiàn)在，IE9 Beta 版已經(jīng)發(fā)布，最重要的是——IE9瀏覽器直接支持GPU硬件加速功能。

    IE9 Beta 的發(fā)布讓瀏覽器的GPU硬件加速一夜之間成為了熱門話題，隨后Firefox、Google Chrome 等瀏覽器都紛紛將硬件加速功能作為當(dāng)務(wù)之急，Opera 更是率先開始研究移動平臺上的瀏覽器硬件加速，瀏覽器廠商開始了“硬件加速之爭”。

    在IE9中，微軟使用了Direct2D、DirectWirte、XPS等新技術(shù)進(jìn)行文字、圖像、視頻、SVG等內(nèi)容的渲染。Direct2D的加入可以讓瀏覽器調(diào)動GPU來優(yōu)化渲染豐富的圖形，從而帶來更快的Web程序運(yùn)行速度，以及更高質(zhì)量的瀏覽體驗。

    對一些圖形操作來說，GPU是更合適的選擇，比如GPU在執(zhí)行Alpha混合與雙線性圖形縮放的時候就比CPU快得多，還可以利用像素著色器執(zhí)行復(fù)雜的每像素計算。

    利用GPU執(zhí)行更多任務(wù)，CPU資源就得以釋放給其他瀏覽器子系統(tǒng)，還能獲得更流暢的動畫和視頻播放效果。

    根據(jù)Mozilla提供的資料，F(xiàn)irefox和IE9在Windows平臺上的實現(xiàn)方式完全一樣，而在Mac及Linux平臺上的實現(xiàn)方式目前還沒有特別細(xì)的資料。

    互聯(lián)網(wǎng)巨頭 Google 自己的 Chrome 瀏覽器也有一套完整的GPU硬件加速方案，而且是一種非常特殊的硬件加速方案。

    在硬件加速條件下，GPU接受來自渲染進(jìn)程的命令，并將其輸入OpenGL 或 Direct3D 進(jìn)行處理，Chrome在此一直落后于其他對手，原因是Google考慮到安全因素，將瀏覽器的渲染工作安排在一個獨(dú)立的進(jìn)程內(nèi)，導(dǎo)致無法與操作系統(tǒng)的硬件接口直接通信。因此為了實現(xiàn)硬件加速，Chrome需要特殊的方案：

    在渲染進(jìn)程和GPU兩者無法直接通信的情況下，Chrome特意分出了一片共享存儲區(qū)，讓渲染進(jìn)程將命令緩存錄入存儲區(qū)，再等GPU從存儲區(qū)讀取命令，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)命令。這方案解決了核心問題，但因為始終不是直接通信，功能上還有一定的限制。

   依靠這個結(jié)構(gòu)，Chrome開始對部分內(nèi)容實施硬件加速。對于普通的網(wǎng)頁內(nèi)容（文本、CSS、靜態(tài)圖片）依舊直接使用CPU渲染，而GPU負(fù)責(zé)大型媒體（如視頻）的加速渲染任務(wù)，更為特殊的WebGL元素，則完全交由GPU渲染。對各層面的內(nèi)容渲染完成后，最后關(guān)鍵的一步是將所有內(nèi)容揉合進(jìn)同一個頁面，這項工作CPU無法很好勝任，所以這一部分工作也完全可以交由瀏覽器來完成。

    下面，我們就來檢測一下目前在IE9瀏覽器上的GPU硬件加速實現(xiàn)情況，由于目前Firefox和Chrome都還沒有發(fā)布完整支持硬件加速的正式版本，甚至連公測版本也還沒有，所以我們本次只測試IE9 Beta的硬件加速功能。

點(diǎn)擊查看大圖

    測試平臺除顯卡之外，使用了兩套完全一樣的平臺。只是其中一個平臺上的顯卡是主板集成的880G，另一個平臺上的顯卡為獨(dú)立顯卡GTX460，我們本次主要測試在一些支持硬件加速的場景中，顯卡本身的性能是否真的對整體的網(wǎng)頁性能有很大的影響。

FISHIE TANK

GTX460性能：44FPS流暢

880G性能：8FPS幻燈片

    微軟推出的FISHIE TANK是一個真實模擬在瀏覽器中實時渲染的小應(yīng)用，我們選擇了同時在屏幕上渲染1000條小魚，測試結(jié)果可以看出GTX460渲染1000條小魚非常輕松，每秒幀數(shù)高達(dá)44幀。相比之下，集成顯卡880G的表現(xiàn)就非常差了，只有8FPS。

● 880G集成顯卡性能

6FPS超級無敵卡

10FPS超級卡

● GTX460獨(dú)立顯卡性能

60FPS滿幀無懸念

60FPS滿幀無懸念

    這個叫做視頻萬花筒的應(yīng)用非常有意思，它可以將視頻通過萬花筒的方式展現(xiàn)出來，在萬花筒轉(zhuǎn)動的同時視頻也在繼續(xù)播放，你很難想象這是直接在瀏覽器中實現(xiàn)的。從測試結(jié)果我們可以看到，880G和GTX460有著非常顯著的差距，足以證明硬件加速已經(jīng)生效。

880G杯具的12FPS

GTX460又是60FPS的滿幀

    Canvas Zoom也是一個非常有意思的應(yīng)用，主要是在網(wǎng)頁上對一副超大照片進(jìn)行縮放操作，由于圖片實在是太大了，所以如果使用CPU來計算將非常困難，故而采用GPU硬件加速。測試結(jié)果不用懷疑，高性能的GTX460獲得了滿幀，而880G只有杯具的12幀。

Speed Read

880G耗時：24秒

GTX460耗時：15秒

    SPeed Read是一個測試在瀏覽器中快速渲染文字的工具，在固定數(shù)量的文字渲染過程中，880G使用GPU硬件加速花費(fèi)了24秒時間完成，而GTX460只花費(fèi)了15秒的時間，效果非常明顯。

    本文我們比較簡單的介紹了一下目前IE、Firefox以及Google Chrome在瀏覽器GPU硬件加速方面的進(jìn)度和實現(xiàn)原理，并且對IE9 BETA的硬件加速效果進(jìn)行了簡單的測試。當(dāng)然，在實際的應(yīng)用上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止我們本文中所介紹的內(nèi)容，微軟就曾經(jīng)表示IE9的一切都可以使用硬件加速，就好象 Windows 7 支持 Direct Compute 一樣，用戶并不知道在什么時候生效了，但確確實實的生效了。

    在微軟這樣的業(yè)界龍頭帶動下，瀏覽器的GPU硬件加速功能在半年內(nèi)得到了非常迅猛的發(fā)展。對瀏覽器市場比較了解的朋友應(yīng)該知道，目前IE、FireFox以及Chrome是最流行的3大瀏覽器，這三大瀏覽器如果都完全支持了硬件加速，受益人數(shù)將超過整個互聯(lián)網(wǎng)用戶的90%(這里不考慮瀏覽器更新因素)，可以肯定，瀏覽器的硬件加速將成為未來瀏覽器的標(biāo)配功能。

    瀏覽器的硬件加速也同樣體現(xiàn)出了一個事實——CPU的工作正在逐漸被GPU所取代，也就是說以后連上網(wǎng)都需要更好的顯卡才能獲得更好的體驗，CPU的確應(yīng)該感到鴨梨很大。但是，在執(zhí)行效率方面，GPU的并行計算架構(gòu)確實更加適合這樣的工作。可以確定的是，雖然CPU的重要性在逐漸降低，但GPU應(yīng)該永遠(yuǎn)不會取代CPU。■<