OpenCL. Что это такое и зачем он нужен? (если есть CUDA)
Здравствуй, уважаемое хабра-сообщество.
Многие, наверное, слышали или читали на хабре об OpenCL – новом стандарте для разработки приложений для гетерогенных систем. Именно так, это не стандарт для разработки приложений для GPU, как многие считают, OpenCL изначально задумывался как нечто большее: единый стандарт для написания приложений, которые должны исполняться в системе, где установлены различные по архитектуре процессоры, ускорители и платы расширения.
Предпосылки появления OpenCL
Основным местом, где можно встретить гетерогенные системы, являются высокопроизводительные вычисления: от моделирования физических процессов в пограничном слое до кодирования видео и рендеринга трехмерных сцен. Раньше подобные задачи решали применяя суперкомпьютеры либо очень мощные настольные системы. С появлением технологий NVidia CUDA/AMD Stream стало возможным относительно просто писать программы, использующие вычислительные возможности GPU.
Стоит отметить, что подобные программы создавались и раньше, но именно NVidiaа CUDA обеспечила рост популярности GPGPU за счет облегчения процесса создания GPGPU приложений. Первые GPGPU приложения в качестве ядер (kernel в CUDA и OpenCL) использовали шейдеры, а данные запаковывались в текстуры. Таким образом необходимо было быть хорошо знакомым OpenGL или DirectX. Чуть позже появился язык Brook, который немного упрощал жизнь программиста (на основе этого языка создавалась AMD Stream (в ней используется Brook+) ).
CUDA стала набирать обороты, а между тем (а точнее несколько ранее) в кузнице, расположенной глубоко под землей, у подножия горы Фуджи (Fuji), японскими инженерами был выкован
Примерно в то же время (около года назад) оживилась и S3 Graphics (на самом деле VIA), представив на суд общественности свой новый графический адаптер S3 Graphics Chrome 500. По заявлениям самой компании этот адаптер так же умеет ускорять всяческие вычисления. В комплекте с ним поставляется программный продукт (графический редактор), который использует все прелести такого ускорения. Описание технологии на сайте производителя.
Итак, что мы имеем: машина, на которой проводятся вычисления может содержать процессоры x86, x86-64, Itanium, SpursEngine (Cell), NVidia GPU, AMD GPU, VIA (S3 Graphics) GPU. Для каждого из этих типов процессов существует свой SDK (ну кроме разве что VIA), свой язык программирования и программная модель. То есть если Вы захотите чтобы ваш движок рендеринга или программа расчета нагрузок на крыло боинга 787 работала на простой рабочей станции, суперкомпьютере BlueGene, или компьютере оборудованном двумя ускорителями NVidia Tesla – Вам будет необходимо переписывать достаточно большую часть программы, так как каждая из платформ в силу своей архитектуры имеет набор жестких ограничений.
Так как программисты – народ ленивый, и не хотят писать одно и то же для 5 различных платформ с учетом всех особенностей и учиться использовать разные программные средства и модели, а заказчики – народ жадный и не хотят платить за программу для каждой платформы как за отдельный продукт и оплачивать курсы обучения для программистов, было решено создать некий единый стандарт для программ, исполняющихся в гетерогенной среде. Это означает, что программа, вообще говоря, должна быть способна исполняться на компьютере, в котором установлены одновременно GPU NVidia и AMD, Toshiba SpursEngine итд.
Решение проблемы
Для разработки открытого стандарта решили привлечь людей, у которых уже есть опыт (весьма успешный) в разработке подобного стандарта: Khronos Group, на чьей совести уже OpenGL и OpenML и еще много всего. OpenCL является торговой маркой Apple Inc., как сказано на сайте Khronos Group: «OpenCL is a trademark of Apple Inc., and is used under license by Khronos. The OpenCL logo and guidelines for its usage in association with Conformant products can be found here:
http://developer.apple.com/softwarelicensing/agreements/opencl.html». В разработке (и финансировании, конечно же), кроме Apple, участвовали такие воротилы IT как AMD, IBM, Activision Blizzard, Intel, NVidia итд. (полный список тут).
Компания NVidia особо не афишировала свое участие в проекте, и быстрыми темпами наращивала функциональность и производительность CUDA. Тем временем несколько ведущих инженеров NVidia участвовали в создании OpenCL. Вероятно, именно участие NVidia в большой мере определило синтаксическую и идеологическую схожесть OpenCL и CUDA. Впрочем программисты от этого только выиграли – проще будет перейти от CUDA к OpenCL при необходимости.
Первая версия стандарта была опубликована в конце 2008 года и с тех пор уже успела претерпеть несколько ревизий.
Почти сразу после того как стандарт был опубликован, компания NVidia заявила что поддержка OpenCL не составит никакой сложности для нее и в скором времени будет реализована в рамках GPU Computing SDK поверх CUDA Driver API. Ничего подобного от главного конкурента NVidia – AMD слышно не было.
Драйвер для OpenCL был выпущен NVidia и прошел проверку на совместимость со стандартом, но все еще доступен только для ограниченного круга людей – зарегистрированных разработчиков (заявку на регистрацию подать может любой желающий, в моем случае рассмотрение заняло 2 недели, после чего по почте пришло приглашение). Ограничения доступа к SDK и драйверам заставляют задуматься о том, что на данный момент существуют какие-то проблемы или ошибки, которые пока не удается исправить, то есть продукт все еще находится в стадии бета-тестирования.
Реализация OpenCL для NVidia была достаточно легкой задачей, так как основные идеи сходны: и CUDA и OpenCL – некоторые расширения языка С, со сходным синтаксисом, использующие одинаковую программную модель в качестве основной: Data Parallel (SIMD), так же OpenCL поддерживает Task Parallel programming model – модель, когда одновременно могут выполняться различные kernel (work-group содержит один элемент). О схожести двух технологий говорит даже то что NVidia выпустила специальный документ о том как писать для CUDA так, чтобы потом легко перейти на OpenCL.
Как обстоят дела на настоящий момент
Основной проблемой реализации OpenCL от NVidia является низкая производительность по сравнению с CUDA, но с каждым новым релизом драйверов производительность OpenCL под управлением CUDA все ближе подбирается к производительности CUDA приложений. По заявлениям разработчиков такой же путь проделала и производительность самих CUDA приложений – от сравнительно невысокой на ранний версиях драйверов до впечатляющей в настоящее время.
А что же делала в этот момент AMD? Ведь именно AMD (как сторонник открытых стандартов – закрытый PhysX vs. открытый Havoc; дорогой Intel Thread Profiler vs. бесплатный AMD CodeAnalyst) делала большие ставки на новую технологию, учитывая что AMD Stream не удавалось хоть сколь-нибудь соревноваться в популярности с NVidia CUDA – виною тому отставание Stream от CUDA в техническом плане.
Летом 2009 года компания AMD сделала заявление о поддержке и соответствии стандарту OpenCL в новой версии Stream SDK. На деле же оказалось, что поддержка была реализована только для CPU. Да, именно так, это ничему не противоречит – OpenCL стандарт для гетерогенных систем и ничего не мешает Вам запустить kernel на CPU, более того – это очень удобно в случае если в системе нет другого OpenCL устройства. В таком случае программа будет продолжать работать, только медленнее. Или же вы можете задействовать все вычислительные мощности, которые есть в компьютере – как GPU так и CPU, хотя на практике это не имеет особого смысла, так как время исполнения kernel’ов которые исполняются на CPU будет намного больше тех что исполняются на GPU – скорость процессора станет узким местом. Зато для отладки приложений это более чем удобно.
Поддержка OpenCL для графических адаптеров AMD так же не заставила себя долго ждать – по последним сообщениям компании версия для графических чипов сейчас находится на стадии подтверждения соответствия спецификациям стандарта. После чего она станет доступна всем желающим.
Так как OpenCL должен работать поверх некоторой специфической для железа оболочки, а значит для того чтобы можно этот стандарт действительно стал единым для различных гетерогенных систем – надо чтобы соответствующие оболочки (драйверы) были выпущены и для IBM Cell и для Intel Larrabie. Пока от этих гигантов IT ничего не слышно, таким образом OpenCL остается еще одним средством разработки для GPU на ряду с CUDA, Stream и DirectX Compute.
Apple также заявляет о поддержке OpenCL, которая, впрочем, обеспечивается за счет NVidia CUDA.
Также в настоящее время сторонними разработчиками предлагается:
- OpenTK — библиотека-обертка над OpenGL, OpenAL и OpenCL для .Net.
- PyOpenCL – обертка над OpenCL для Pyton.
- Java обертка для OpenCL.
Заключение
Технология OpenCL представляет интерес для различных компания IT сферы – от разработчиков игр до производителей чипов, а это означает что у нее большие шансы стать фактическим стандартом для разработки высокопроизводительных вычислений, отобрав этот титул у главенствующей в этом секторе CUDA.
В будущем я планирую более подробную статью о самом OpenCL, описывающую что из себя представляет эта технология, ее особенности, достоинства и недостатки.
Спасибо за внимание.
Интересные ссылки:
www.khronos.org/opencl — страница об OpenCL на сайте Khronos Group
www.nvidia.com/object/cuda_opencl.html — NVidia OpenCL (внизу страницы ссылки на различные документы: OpenCL Programming Guidу итп.)
forums.amd.com/devforum/categories.cfm?catid=390&entercat=y – форум AMD по OpenCL
habrahabr.ru/blogs/CUDA/55566 — небольшой обзор OpenCL на хабре
developer.amd.com/GPU/ATISTREAMSDKBETAPROGRAM/Pages/default.aspx — страница AMD Stream SDK v2.0 beta
ati.amd.com/technology/streamcomputing/gpgpu_history.html — история развития GPGPU по версии AMD