OpenCL

Modely OpenCL jsou abstraktním vyjádřením vlastností a chování platforem a zařízení, jež odpovídají standardu OpenCL. Jsou to:

• Model platformy.
• Exekuční model.
• Paměťový model.
• Programovací model.

Model definuje heterogenní paralelní stroj jako počítačový systém schopný nabízet služby OpenCL. Tento heterogenní stroj obsahuje hostitelský systém (dále jen hostitel) a jedno či více zařízení OpenCL (dále jen zařízení), kterými hostitel disponuje. Model platformy navíc předpokládá, že se zařízení skládá z výpočetních jednotek, které jsou dále dělené do procesních elementů.

Běh softwarového systému využívající OpenCL probíhá na dvou úrovních heterogenního paralelního stroje. Klasická aplikační část (dále jen aplikace) je vykonávaná v rámci hostitele. Tato aplikace odpovídá kromě jiného za komunikaci mezi hostitelem a zařízeními stejně jako za spuštění a koordinaci výpočtů na těchto zařízeních. Samotné zařízení zpracovává tu část aplikace, jež byla vyjádřena jazykem OpenCL C (dále jen program). Program má formu jednoho či více výpočtových vláken, které jsou zpracovávané v rámci procesních elementů daného zařízení. Tato vlákna jsou instancemi funkčního objektu, který se nazývá kernel. Při spuštění výpočtu specifikuje aplikace jedno až třírozměrný indexový prostor, celkový počet instancí kernelu a (nepovinně) velikost skupin do kterých se budou tyto instance sdružovat. Z těchto informací OpenCL následně určí počet skupin a každé instanci kernelu přiřadí globální index, lokální index a skupinový index. Lokální respektive globální index identifikuje instanci kernelu v rámci skupiny respektive v rámci všech instancí. Skupinový index je identifikátor skupiny do nichž instance kernelu patři.

V rámci exekučního modelu si aplikace vytváří kontexty. V kontextu jsou zahrnuté informace o zařízeních, množinách kernelů a programech OpenCL, v němž jsou kernely uložené, paměťových objektech které kernely budou zpracovávat a další údaje. Pro ovládaní zařízení, jejich synchronizaci, přesun dat a spouštění kernelů slouží příkazové fronty. Tyto příkazové fronty jsou schopné zpracovávat příkazy „in order“ (jak jdou za sebou) nebo „out of order“ (nezávislé na pořadí). Každý příkaz při zařazeni do fronty generuje událost. Vzhledem k tomu, že většinu příkazu je možné vykonávat asynchronně lze tyto události využívat pro sledování stavu příkazů a jejích vzájemnou synchronizaci.

Tento model slouží k definici paměťové hierarchie, která zahrnuje různé paměťové oblasti zařízeni. Specifikuje typy paměti, druhy přístupu a její alokaci, kdo je za tyto operace odpovědný a jak.

• Globální paměť je oblast paměti viditelná všem instancím kernelu.
• Konstantní paměť je oblast globální paměti do nichž instance kernelu nemá právo zápisu.
• Lokální paměť je oblast paměti viditelná pouze instancím kernelu ve skupině.
• Privátní paměť je oblast paměti viditelná pouze v rámci instance kernelu.

Způsoby alokace paměti v jednotlivých paměťových oblastech:

Druhy přístupu k paměťovým oblastem:

Přesuny dat mezi hostitelem a touto hierarchií paměti se provádí zasláním příslušných příkazů (čtení, zápis nebo kopírování) na příkazovou frontu.

Z exekučního modelu vyplývá, že OpenCL podporuje úlohově paralelní a datově paralelní programovací modely (čí kombinaci obou). Standard OpenCL se soustřeďuje hlavně na datově paralelní programovací model.

Tento model definuje výpočet jako souběh instancí kernelu zpracovávajících datové složky vstupní datové struktury. V rámci indexového prostoru exekučního modelu jsou tyto instance a způsob jejích mapování na tyto datové složky definovaný jednoznačně. V nejjednodušším případě připadá jedna instance kernelu na jednu datovou složku, neplatí to však vždy.

Tento model umožňuje souběžně spouštět několik instancí různých kernelů. V tomto modelu není však možné vyžadovat těsný souběh několika instancí stejného kernelu. To je hlavní rozdíl oproti datově paralelnímu programovacímu modelu, kdy se v jednu chvíli spouští mnoho instancí jednoho kernelu, které mohou spolu úzce komunikovat.

OpenCL Framework poskytuje aplikacím možnost využívat hostitelský systém a jeho zařízení v souladu s modely OpenCL jako heterogenní paralelní stroj. Framework obsahuje následující komponenty:

• Programovací aplikační rozhraní OpenCL API, jež umožňuje práci se systémem OpenCL.
• Kompilátor jazyka OpenCL C, který překládá programy psané v jazyce OpenCL C do konkrétního strojového kódu dané hardwarové platformy.

Programovací jazyk OpenCL C je založen na normě „ISO/IEC 9899:1999 – Specifikace jazyka C“ (dále C99). Oproti C99 se OpenCL C liší množstvím rozšíření, která zahrnují:

• Vektorové datové typy.
• Datové typy a funkce podporující práci s obrázky a jejích filtrování.
• Kvalifikátory adresního prostoru.
• Kvalifikátory přístupových práv.
• Kernelové funkce.
• Přesně definované chování datových typů čísel s plovoucí desetinnou čárkou dle standardu IEEE 754. Toto platí také pro všechny funkce a operátory, které s těmito typy pracují.

Na druhou stranu OpenCL C zavádí několik omezení:

• Ukazatele na funkce, pole proměnné délky a bitová pole jsou zakázaná.
• Velká většina hlavičkových souborů standardní knihovny jazyka C je nedostupná.
• Rekurzivní funkce nejsou povolené.
• Kernelové funkce nesmějí deklarovat argumenty typu ukazatel na ukazatel ani nic vracet.
• Zápisy na pole číselných typů menších než 32 bitů jsou zakázané.

Kromě výchozího profilu standardu je k dispozici též profil pro mobilní či vestavěná zařízení, která jsou schopná podporovat modely architektury OpenCL, ale nedisponují dostatečným výkonem pro zajištění plného rozsahu funkčnosti. V tomto „lehkém“ profilu jsou některé části standardu nepovinné (podpora 3D obrazu) či odstraněné úplně (striktní konformita s IEEE-754, 64bitové číselné typy).

• Khronos Group
• OpenGL
• OpenGL ES
• CUDA
• GPGPU

• Obrázky, zvuky či videa k tématu OpenCL na Wikimedia Commons
• (anglicky) Specifikace OpenCL 1.0
• (anglicky) Manuálové stránky OpenCL
• (anglicky) OpenCL na stránkách NVidia