OpenCL-ről röviden
Az OpenCL (Open Computing Language) – egy nyílt ipari szabvány, melynek segítségével processzorok széles skálája – CPU-k, GPU-k, DSP-k, CELL – válik heterogén módon programozhatóvá egy egységes platformon keresztül. Ez az általánossága különbözteti meg legjobban az OpenCL-t a többi csak GPU programozására specializált technológiától. A szabvány egy nyelvet és egy függvénykönyvtárat definiál, melynek segítségével implementált programjaink hordozhatóak lesznek az OpenCL képes hardverek és az operációs rendszerek között, kezdve a mobiltelefonoktól egészen a szuperszámítógépekig. A nyelv a C99 szabványra épül, azt bizonyos részeken leszűkítve, máshol pedig kiegészítve. A szabvány létrehozását az Apple kezdeményezte, és végül az ipar olyan nagyjai dolgozták ki mint az AMD, az Intel, az IBM és az nVidia.
Áttekintés
Ahhoz, hogy megértsük az OpenCL működését, a következő modellek ismeretére van szükségünk:
- Platform Modell
- Végrehajtási Modell
- Memória Modell
- Programozási Modell
Platform Modell
Az OpenCL Platform Modellje egy gazda eszközből és a hozzá kapcsolódó egy vagy több OpenCL eszközből áll. Az OpenCL eszközök számoló egységekből állnak, melyek tovább bomlanak végrehajtó egységekre. OpenCL nyelven megírt programjaink ezeken a végrehajtó egységeken futnak. OpenCL eszköz például egy GPU, vagy egy CPU, végrehajtó egységei pedig azok magja, illetve stream processzorai.
Egy OpenCL program gazda eszközön futó része egy parancs listán keresztül vezérli a főleg párhuzamos számításokat végző OpenCL eszközök működését.
Végrehajtási Modell
Az OpenCL programok végrehajtása két részre bontható: a gazda program a gazdaeszközön, míg a kernelek az OpenCL eszközökön futnak. A kernelek környezetének beállítását és azok végrehajtásának ütemezését a gazdaprogram végzi.
A kerneleket úgynevezett munkatereken (NDRange) hajtjuk végre. A szabvány egy-, két- illetve háromdimenziós munkatereket definiál. A végrehajtás során a munkaterület összes elemén lefut egy kernel. A kernel egy aktuális példányát munkaegységnek hívjuk. Minden munkaegység egyedi GlobalID-val rendelkezik a munkatéren belül. A munkaegységek munkacsoportokba szerveződnek, ami egy durvább felosztása a muntatérnek. A munkacsoportok is rendelkeznek egy egyedi Work-group ID-val.
Memória Modell
A munkaegységek négy különböző memóriaterületet érnek el:
- Globális memória – Minden munkacsoport minden munkaegysége írhatja, olvashatja ezt a memóriát. Az OpenCL eszköz képességeinek megfelelően gyorsítótárazhatja a műveleteket.
- Konstans memória – Olyan adatokat tartalmaz, mely nem változik a kernel lefutása során. A gazdaeszköz inicializálja és tölti fel adatokkal.
- Lokális memória – Egy munkacsoport helyi memóriája. Az itt allokált változók megosztottak a munkacsoport összes munkaegysége között.
- Privát memória – Egy munkaegység privát memóriája. Az itt definiált változók nem láthatók a többi munkaegység részéről.
Programozási Modell
Az OpenCL végrehajtási modellje támogatja mind az adatközpontú, mind a feladatközpontú párhuzamosságot. Elsődlegesen mégis inkább az adatközpontú párhuzamosság preferált a szabvány részéről.
- Adatközpontú párhuzamosság esetén egy számítási műveletsorozatot adunk meg, amit nagy mennyiségű adatra hajtunk végre egymástól függetlenül. Egy szigorú modell esetén a számítások és az adatok között 1-1 kapcsolat áll fenn. Ezzel ellentétben az OpenCL egy jóval megengedőbb modellt definiál, ahol ez a kapcsolat nem követelmény.
Az OpenCL egy hierarchikus végrehajtási modellt kínál a programozóknak. Két lehetőségünk van hierarchia kialakítására a végrehajtásban. Explicit módon – mi adjuk meg mind a munkaegységek számát, és azt is, hogyan képeznek munkacsoportokat. Implicit módon – Mi csak a munkaegységek számát kötjük meg, a munkacsoport kezelését az OpenCL végrehajtó környezetre bízzuk. -
A feladat központú párhuzamosságot az OpenCL oly módon teszi lehetővé, hogy megengedi a különböző kernelek különböző munkatereken való egyidejű végrehajtását. E modellben a felhasználó a következő módokon érhet el párhuzamosságot:
- a keretrendszer által implementált vektor típusok használata
- több feladat egyidőben való végrehajtása
- olyan natív kernelek hívása, melyek az OpenCL-től különböző párhuzamosságot valósítanak meg.
Fordítási Modell
Mivel az OpenCL célja a lehető legnagyobb teljesítmény elérése processzorok széles skáláján, ezért működése alapvetően futásidejű fordítást (just-in-time compilation, JIT) használ. A különböző OpenCL képes hardverekkel rendelkező gyártók feladata a fordítóprogram beépítése a termék eszközmeghajtójába. A compiler a lefordított kódot betölti az eszközbe, melyet azt egyszerűen futatthatunk. A fordító szolgáltatásait az OpenCL által definiált API-n keresztül vehetjük igénybe.