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OpenCLに触れてみよう

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わんくま同盟名古屋勉強会#19での発表資料。

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OpenCLに触れてみよう 2011/10/29 You&I 一般公開バージョン わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
自己紹介 • H/N You&I(読み：ユーアンドアイ) • 出身 生まれも育ちも名古屋市 • 年齢 30代前半 • 本職 商学部出身の職業プログラマ • 言語 C++, C#, VisualBasic 6.0, 日本語COBOL • 日記 http://d.hatena.ne.jp/youandi/ • 所属 名古屋アジャイル勉強会 プログラミング生放送 名古屋支部 わんくま同盟 わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
ナゼ、イッタイ。 • 2010/03/13に開催した名古屋勉強会#12で 「Cell/B.Eプログラミング事始め」というセッショ ンを発表しました。 • その発表で時代はGPGPUだよ！って締めた んですが、それから放置してました。 • 最近OpenCLってGPUが無くても実行できる 環境がある事を知ったり。 • 来年のお仕事でGPGPUを使いそう。 わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
用語集 • GPGPU – General Purpose Graphic Processing Units。 GPUを画像処理以外の目的で利用する事。 • オフラインコンパイラ – デバイス上で実行するOpenCLのカーネルプログ ラムをプログラム実行中ではなく、実行前に作成 する為のコンパイラ。LLVMが使われる事が多い。 • DSP(Digital Signal Processor) – デジタル信号処理に特化したプロセッサ。高速に 計算を行う事ができる。 わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
Agenda 1. OpenCLとは 2. OpenCLの環境構築 3. OpenCLの構造 4. OpenCLを使ったデモ 5. まとめ わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
1. OpenCLとは 1. OpenCLとは 2. OpenCLの環境構築 3. OpenCLの構造 4. OpenCLを使ったデモ 5. まとめ わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
1. OpenCLとは(1/6) • OpenCLとはOpen Computing Languageの 略称。 • Apple社により提案された後、OpenGL等の 標準化団体 KHRONOSグループにより標準 が策定されている。 – http://www.khronos.org/opencl/ わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
1. OpenCLとは(2/6) • OpenCLはマルチコアCPU・GPU・Cellプロ セッサ・DSP等の異種混在のプロセッサーを 利用する並列コンピューティングの為のフレー ムワーク。 • OpenCLを利用する事により、様々な計算資 源に共通のインターフェースでアクセス・制御 が可能となる。 • C99規格をベースとした「OpenCL C言語」に よるカーネル記述にてデバイス向けプログラ ムの開発を行う。 わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
1. OpenCLとは(3/6) • OpenCLの歴史 – Khronos OpenCL API Registry • http://www.khronos.org/registry/cl/ – 2009年4月：OpenCL 1.0 – 2010年6月：OpenCL 1.1 – 2010年6月：OpenCL 1.1 C++ Bindings わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
1. OpenCLとは(4/6) • OpenCLが出てきた背景 – 様々なPlatform向けのSDK – CPU演算(CPU毎) • 3DNow!, MMX, SSE, AES-NI, AVX・・・ – Cell/B.E.演算(デバイス毎) • Cell SDK – GPGPU演算(ベンダー毎) • ATI Stream • CUDA – ETC, … わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
1. OpenCLとは(5/6) • １デバイスにつき１SDK・・・。 – まあこれは仕方ない • Platform毎にAPI仕様が異なる・・・。 – これは何とかして欲しい • そこで出てきたのがOpenCL – デバイスにアクセスする為のAPI仕様を統一し、 様々なPlatform向けに開発をし易くする為のフ レームワーク。 – デバイスの制御を行うだけではなく、並列処理を 行う為のAPIも提供する。 わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
1. OpenCLとは(6/6) • OpenCLの発展性 – 類似技術 • ATI Stream：AMD • CUDA：NVIDIA • DirectCompute：Microsoft DirectX 11 – WebCL • ブラウザ上でOpenGLを利用できるようにするWebGL に影響を受けて？ブラウザ上でOpenCLを利用できる ようにするWebCLという規格も策定中。 – http://www.khronos.org/webcl/ わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
2. OpenCLの環境構築 1. OpenCLとは 2. OpenCLの環境構築 3. OpenCLの構造 4. OpenCLを使ったデモ 5. まとめ わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
2. OpenCLの環境構築(1/6) • 実行ハードウェアは？ – AMD社 RADEONシリーズGPU • RADEON HD4xx0以降 • http://ja.wikipedia.org/wiki/ATI_FirePro – NVIDIA社 GeForceシリーズGPU • http://developer.nvidia.com/cuda-gpus – Intel社 CoreシリーズCPU • SSE4.1対応品(E8x00以降, CPU上で実行時) • SSE3対応品(他のGPU上で実行時) わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
2. OpenCLの環境構築(2/6) • OS及びコンパイラは？ – OpenCL C言語のコンパイラは後述 – Microsoft Windows • 利用するSDKによってはVista以降が必要 • VisualC++(C++, C言語) – Linux • gcc(C++, C言語) – Apple MacOS X • MacOS X 10.6(Snow Leopard)以降 • Xcode(C++, C言語, Objective-C) わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
2. OpenCLの環境構築(3/6) • OpenCL SDKの入手 – AMD社：AMD APP SDK • http://developer.amd.com/appsdk – NVIDIA社：CUDA Toolkit, Parallel Nsight • http://developer.nvidia.com/cuda-toolkit • http://developer.nvidia.com/nvidia-parallel-nsight – Intel社：Intel OpenCL SDK • http://www.intel.com/go/opencl – Apple社：OSに付属(MacOS X 10.6以降) • /System/Library/Frameworks/OpenCL.framework わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
2. OpenCLの環境構築(4/6) • 各SDKの特徴(1/2) ※Macは割愛 Visual オフライン その他 C++ デバッガ SDK名称 Studio コンパイラ ツール 対応 付属 対応 付属 付属 AMD APP SDK (Accelerated Parallel Processing) ○ × × ○ ○ CUDA Toolkit × × × ○ ○ Parallel Nsight (CUDA Toolkit+α) × ○ ○ ○ ○ Intel OpenCL SDK ○ × × ○ × わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
2. OpenCLの環境構築(5/6) • 各SDKの特徴(2/2) ※Macは割愛 H/Wなし GPU CPU SDK名称 のインス － － 実行 実行 トール AMD APP SDK (Accelerated Parallel Processing) ○ ○ ○ － － CUDA Toolkit ○ ○ ○ － － Parallel Nsight (CUDA Toolkit+α) ○ ○ ○ － － Intel OpenCL SDK × × ○ － － わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
2. OpenCLの環境構築(6/6) • インストール先情報 – AMD APP SDK v2.5 • include : %ProgramFiles(x86)%¥AMD APP¥ • sample : %UserProfile%¥My Documents¥AMD APP¥ – Parallel Nsight v2.0 • include : %ProgramFiles%¥NVIDIA GPU Computing Toolkit¥CUDA¥v4.0¥ • sample : %ProgramFiles(x86)%¥NVIDIA Parallel Nsight 2.0¥Samples¥ – Intel OpenCL SDK v1.5 • include : %ProgramFiles(x86)%¥Intel¥OpenCL SDK¥1.1¥ • sample : %SystemDrive%¥Users¥Public¥Documents¥Intel¥O penCL SDK¥1.1¥ わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造 1. OpenCLとは 2. OpenCLの環境構築 3. OpenCLの構造 4. OpenCLを使ったデモ 5. まとめ わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造(1/14) • OpenCLデバイスのイメージ OpenCLデバイス – OpenCLデバイスは１つ以上の CU 計算ユニット(CU:Computation PE PE ・・・ Unit)を持つ。 – 計算ユニットは１つ以上の処理 CU エレメント(PE:Processing PE PE ・・・ Unit)で構成される。 – これらのユニットをどのように CU 使うかは実装者が指示するか PE PE ・・・ OpenCLに任せる事も可能。 わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造(2/14) • 処理の流れ(1/2) 1. ホストプログラム起動 2. デバイスハンドル取得 3. コマンドキュー作成 4. カーネルプログラムをメモリ上に読み込み 5. プログラムオブジェクト作成 6. カーネルオブジェクト作成 7. カーネルオブジェクトをコマンドキューに登録 8. コマンドキューから実行結果を取り出す わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造(3/14) • 処理の流れ(2/2) 8. メモリ オブジェクト 3. コマンド 6. カーネル キュー 7. 登録 オブジェクト 5. プログラム 2. デバイス オブジェクト 1. ホスト 4. カーネル プログラム プログラム わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造(4/14) • OpenCLのAPI(1/11) – システムで利用可能なPlatformのIDを取得 cl_int clGetPlatformIDs( cl_uint /* num_entries */, cl_platform_id * /* platforms */, cl_uint * /* num_platforms */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造(5/14) • OpenCLのAPI(2/11) – Platformに含まれるデバイスIDのリストを返す cl_int clGetDeviceIDs( cl_platform_id /* platform */, cl_device_type /* device_type */, cl_uint /* num_entries */, cl_device_id * /* devices */, cl_uint * /* num_devices */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造(6/14) • OpenCLのAPI(3/11) – デバイスを指定してコンテキストを作成 cl_context clCreateContext( const cl_context_properties * /* properties */, cl_uint /* num_devices */, const cl_device_id * /* devices */, void (CL_CALLBACK * /* pfn_notify */)( const char *, const void *, size_t, void *), void * /* user_data */, cl_int * /* errcode_ret */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造(7/14) • OpenCLのAPI(4/11) – 与えられたコンテキスト・デバイス用のキューを作 成 cl_command_queue clCreateCommandQueue( cl_context /* context */, cl_device_id /* device */, cl_command_queue_properties /* properties */, cl_int * /* errcode_ret */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造(8/14) • OpenCLのAPI(5/11) – バッファメモリオブジェクトを作成 cl_mem clCreateBuffer( cl_context /* context */, cl_mem_flags /* flags */, size_t /* size */, void * /* host_ptr */, cl_int * /* errcode_ret */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造(9/14) • OpenCLのAPI(6/11) – カーネルのソースコードからプログラムオブジェク トを作成 cl_program clCreateProgramWithSource( cl_context /* context */, cl_uint /* count */, const char ** /* strings */, const size_t * /* lengths */, cl_int * /* errcode_ret */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造(10/14) • OpenCLのAPI(7/11) – 指定されたプログラムオブジェクトをビルド cl_int clBuildProgram( cl_program /* program */, cl_uint /* num_devices */, const cl_device_id * /* device_list */, const char * /* options */, void (CL_CALLBACK * /* pfn_notify */)( cl_program, void * ), void * /* user_data */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造(11/14) • OpenCLのAPI(8/11) – ビルドしたプログラムオブジェクトからカーネルを 作成する cl_kernel clCreateKernel( cl_program /* program */, const char * /* kernel_name */, cl_int * /* errcode_ret */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造(12/14) • OpenCLのAPI(9/11) – カーネルの引数をセットする cl_int clSetKernelArg( cl_kernel /* kernel */, cl_uint /* arg_index */, size_t /* arg_size */, const void * /* arg_value */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造(13/14) • OpenCLのAPI(10/11) – カーネルを実行する為のコマンドをキューに登録 cl_int clEnqueueTask( cl_command_queue/* command_queue */, cl_kernel /* kernel */, cl_uint /* num_events_in_wait_list */, const cl_event * /* event_wait_list */, cl_event * /* event */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
3. OpenCLの構造(14/14) • OpenCLのAPI(11/11) – バッファオブジェクトからデータを読み込む為のコ マンドをキューに登録 cl_int clEnqueueReadBuffer( cl_command_queue /* command_queue */, cl_mem /* buffer */, cl_bool /* blocking_read */, size_t /* offset */, size_t /* cb */, void * /* ptr */, cl_uint /* num_events_in_wait_list */, const cl_event * /* event_wait_list */, cl_event * /* event */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
Agenda 1. OpenCLとは 2. OpenCLの環境構築 3. OpenCLの構造 4. OpenCLを使ったデモ 5. まとめ わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
5. OpenCLを使ったデモ • 何かデモする わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
5.まとめ 1. OpenCLとは 2. OpenCLの環境構築 3. OpenCLの構造 4. OpenCLを使ったデモ 5. まとめ わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
5. まとめ • OpenCLが出てきた背景や今後について話を しました。 • ホスト側の制御処理が統一されるのは嬉しい。 • デバイス側はデバイスによる機能サポートに よって制限をうけるが汎用的に使えるのは嬉 しい。 • 但し、あるデバイスの性能をフルに活かすに はやはり専用APIを使うのが一番速い。 わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
参考情報等 • OpenCL入門 - マルチコアCPU・GPUのため の並列プログラミング – ISBN:9784844328148, インプレスジャパン • OpenCL入門 - GPU＆マルチコアCPU並列 プログラミング – ISBN:9784798026084, 秀和システム わんくま同盟 名古屋勉強会 #19

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  • 10. 1. OpenCLとは(4/6) • OpenCLが出てきた背景 – 様々なPlatform向けのSDK – CPU演算(CPU毎) • 3DNow!, MMX, SSE, AES-NI, AVX・・・ – Cell/B.E.演算(デバイス毎) • Cell SDK – GPGPU演算(ベンダー毎) • ATI Stream • CUDA – ETC, … わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 11. 1. OpenCLとは(5/6) • １デバイスにつき１SDK・・・。 – まあこれは仕方ない • Platform毎にAPI仕様が異なる・・・。 – これは何とかして欲しい • そこで出てきたのがOpenCL – デバイスにアクセスする為のAPI仕様を統一し、 様々なPlatform向けに開発をし易くする為のフ レームワーク。 – デバイスの制御を行うだけではなく、並列処理を 行う為のAPIも提供する。 わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
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  • 17. 2. OpenCLの環境構築(4/6) • 各SDKの特徴(1/2) ※Macは割愛 Visual オフライン その他 C++ デバッガ SDK名称 Studio コンパイラ ツール 対応 付属 対応 付属 付属 AMD APP SDK (Accelerated Parallel Processing) ○ × × ○ ○ CUDA Toolkit × × × ○ ○ Parallel Nsight (CUDA Toolkit+α) × ○ ○ ○ ○ Intel OpenCL SDK ○ × × ○ × わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 18. 2. OpenCLの環境構築(5/6) • 各SDKの特徴(2/2) ※Macは割愛 H/Wなし GPU CPU SDK名称 のインス － － 実行 実行 トール AMD APP SDK (Accelerated Parallel Processing) ○ ○ ○ － － CUDA Toolkit ○ ○ ○ － － Parallel Nsight (CUDA Toolkit+α) ○ ○ ○ － － Intel OpenCL SDK × × ○ － － わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 19. 2. OpenCLの環境構築(6/6) • インストール先情報 – AMD APP SDK v2.5 • include : %ProgramFiles(x86)%¥AMD APP¥ • sample : %UserProfile%¥My Documents¥AMD APP¥ – Parallel Nsight v2.0 • include : %ProgramFiles%¥NVIDIA GPU Computing Toolkit¥CUDA¥v4.0¥ • sample : %ProgramFiles(x86)%¥NVIDIA Parallel Nsight 2.0¥Samples¥ – Intel OpenCL SDK v1.5 • include : %ProgramFiles(x86)%¥Intel¥OpenCL SDK¥1.1¥ • sample : %SystemDrive%¥Users¥Public¥Documents¥Intel¥O penCL SDK¥1.1¥ わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 20. 3. OpenCLの構造 1. OpenCLとは 2. OpenCLの環境構築 3. OpenCLの構造 4. OpenCLを使ったデモ 5. まとめ わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 21. 3. OpenCLの構造(1/14) • OpenCLデバイスのイメージ OpenCLデバイス – OpenCLデバイスは１つ以上の CU 計算ユニット(CU:Computation PE PE ・・・ Unit)を持つ。 – 計算ユニットは１つ以上の処理 CU エレメント(PE:Processing PE PE ・・・ Unit)で構成される。 – これらのユニットをどのように CU 使うかは実装者が指示するか PE PE ・・・ OpenCLに任せる事も可能。 わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 22. 3. OpenCLの構造(2/14) • 処理の流れ(1/2) 1. ホストプログラム起動 2. デバイスハンドル取得 3. コマンドキュー作成 4. カーネルプログラムをメモリ上に読み込み 5. プログラムオブジェクト作成 6. カーネルオブジェクト作成 7. カーネルオブジェクトをコマンドキューに登録 8. コマンドキューから実行結果を取り出す わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 23. 3. OpenCLの構造(3/14) • 処理の流れ(2/2) 8. メモリ オブジェクト 3. コマンド 6. カーネル キュー 7. 登録 オブジェクト 5. プログラム 2. デバイス オブジェクト 1. ホスト 4. カーネル プログラム プログラム わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 24. 3. OpenCLの構造(4/14) • OpenCLのAPI(1/11) – システムで利用可能なPlatformのIDを取得 cl_int clGetPlatformIDs( cl_uint /* num_entries */, cl_platform_id * /* platforms */, cl_uint * /* num_platforms */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 25. 3. OpenCLの構造(5/14) • OpenCLのAPI(2/11) – Platformに含まれるデバイスIDのリストを返す cl_int clGetDeviceIDs( cl_platform_id /* platform */, cl_device_type /* device_type */, cl_uint /* num_entries */, cl_device_id * /* devices */, cl_uint * /* num_devices */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 26. 3. OpenCLの構造(6/14) • OpenCLのAPI(3/11) – デバイスを指定してコンテキストを作成 cl_context clCreateContext( const cl_context_properties * /* properties */, cl_uint /* num_devices */, const cl_device_id * /* devices */, void (CL_CALLBACK * /* pfn_notify */)( const char *, const void *, size_t, void *), void * /* user_data */, cl_int * /* errcode_ret */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
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  • 28. 3. OpenCLの構造(8/14) • OpenCLのAPI(5/11) – バッファメモリオブジェクトを作成 cl_mem clCreateBuffer( cl_context /* context */, cl_mem_flags /* flags */, size_t /* size */, void * /* host_ptr */, cl_int * /* errcode_ret */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 29. 3. OpenCLの構造(9/14) • OpenCLのAPI(6/11) – カーネルのソースコードからプログラムオブジェク トを作成 cl_program clCreateProgramWithSource( cl_context /* context */, cl_uint /* count */, const char ** /* strings */, const size_t * /* lengths */, cl_int * /* errcode_ret */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 30. 3. OpenCLの構造(10/14) • OpenCLのAPI(7/11) – 指定されたプログラムオブジェクトをビルド cl_int clBuildProgram( cl_program /* program */, cl_uint /* num_devices */, const cl_device_id * /* device_list */, const char * /* options */, void (CL_CALLBACK * /* pfn_notify */)( cl_program, void * ), void * /* user_data */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 31. 3. OpenCLの構造(11/14) • OpenCLのAPI(8/11) – ビルドしたプログラムオブジェクトからカーネルを 作成する cl_kernel clCreateKernel( cl_program /* program */, const char * /* kernel_name */, cl_int * /* errcode_ret */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 32. 3. OpenCLの構造(12/14) • OpenCLのAPI(9/11) – カーネルの引数をセットする cl_int clSetKernelArg( cl_kernel /* kernel */, cl_uint /* arg_index */, size_t /* arg_size */, const void * /* arg_value */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 33. 3. OpenCLの構造(13/14) • OpenCLのAPI(10/11) – カーネルを実行する為のコマンドをキューに登録 cl_int clEnqueueTask( cl_command_queue/* command_queue */, cl_kernel /* kernel */, cl_uint /* num_events_in_wait_list */, const cl_event * /* event_wait_list */, cl_event * /* event */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 34. 3. OpenCLの構造(14/14) • OpenCLのAPI(11/11) – バッファオブジェクトからデータを読み込む為のコ マンドをキューに登録 cl_int clEnqueueReadBuffer( cl_command_queue /* command_queue */, cl_mem /* buffer */, cl_bool /* blocking_read */, size_t /* offset */, size_t /* cb */, void * /* ptr */, cl_uint /* num_events_in_wait_list */, const cl_event * /* event_wait_list */, cl_event * /* event */ ); わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 35. Agenda 1. OpenCLとは 2. OpenCLの環境構築 3. OpenCLの構造 4. OpenCLを使ったデモ 5. まとめ わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 36. 5. OpenCLを使ったデモ • 何かデモする わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 37. 5.まとめ 1. OpenCLとは 2. OpenCLの環境構築 3. OpenCLの構造 4. OpenCLを使ったデモ 5. まとめ わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 38. 5. まとめ • OpenCLが出てきた背景や今後について話を しました。 • ホスト側の制御処理が統一されるのは嬉しい。 • デバイス側はデバイスによる機能サポートに よって制限をうけるが汎用的に使えるのは嬉 しい。 • 但し、あるデバイスの性能をフルに活かすに はやはり専用APIを使うのが一番速い。 わんくま同盟 名古屋勉強会 #19
  • 39. 参考情報等 • OpenCL入門 - マルチコアCPU・GPUのため の並列プログラミング – ISBN:9784844328148, インプレスジャパン • OpenCL入門 - GPU＆マルチコアCPU並列 プログラミング – ISBN:9784798026084, 秀和システム わんくま同盟 名古屋勉強会 #19