關(guān)于CPU+GPU異構(gòu)計(jì)算模式程序開發(fā)中編程方法研究

摘 要：與傳統(tǒng)的單純以CPU作為計(jì)算部位的同構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)相比，CPU+GPU異構(gòu)計(jì)算模式程序優(yōu)勢(shì)更加明顯，本文主要研究CPU+GPU異構(gòu)計(jì)算模式程序開發(fā)中編程方法，總結(jié)各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，希望能為相關(guān)人員帶來一些幫助。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)計(jì)算； 編程； CPU； GPU

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-3315（2014）10-149-001

CPU+GPU協(xié)同計(jì)算是異構(gòu)計(jì)算的一種，在處理大量的數(shù)據(jù)中，僅僅使用CPU太過繁瑣，異構(gòu)計(jì)算能夠極大的提高系統(tǒng)速度，目前CPU+GPU是國(guó)內(nèi)外高性能計(jì)算領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究話題，目前在程序開發(fā)中存在不少的難點(diǎn)，本文主要研究CPU+GPU異構(gòu)計(jì)算模式開發(fā)中編程方法。

一、CPU+GPU異構(gòu)計(jì)算編程方法概述

目前異構(gòu)計(jì)算使用最多的是利用GPU來加速，基于CPU+GPU的異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中配合使用CPU+GPU共同承擔(dān)計(jì)算任務(wù)，優(yōu)勢(shì)非常明顯。采用GPU能夠更加快速完成任務(wù)，如在浮點(diǎn)運(yùn)算功能中，GPU的能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CPU。GPU的應(yīng)用領(lǐng)域從圖形處理逐漸向通用計(jì)算機(jī)發(fā)展。當(dāng)前單純采用CPU來搭建計(jì)算機(jī)系統(tǒng)遇到了功耗、擴(kuò)展性能等問題，而采用CPU+GPU能夠很好的解決這些問題。

雖然采用CPU+GPU的異構(gòu)計(jì)算有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，異構(gòu)計(jì)算面對(duì)著很多的問題需要解決。在這些問題中，表現(xiàn)最為明顯的是程序開發(fā)遇到的問題，主要是因?yàn)镚PU在設(shè)計(jì)中最開始是用于專業(yè)圖形處理領(lǐng)域，而不是計(jì)算領(lǐng)域中，這就導(dǎo)致了GPU本身的體系框架與計(jì)算機(jī)的硬件不太實(shí)用，出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸限制等問題，因此在使用中必須專門考慮這些問題。另外目前關(guān)于GPU軟件開發(fā)方面很多技術(shù)還不夠成熟，雖然目前的一些計(jì)算機(jī)統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)降低了開發(fā)難度，但是在處理以往應(yīng)用中的大量遺留代碼方面仍然是一個(gè)問題。目前關(guān)于異構(gòu)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)計(jì)算語言還不夠成熟，CPU+GPU異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)用還存在不少的問題。

二、CPU+GPU異構(gòu)計(jì)算程序開發(fā)方法

目前在CPU+GPU異構(gòu)計(jì)算程序開發(fā)計(jì)算中，程序開發(fā)方法主要包括低層次抽象的輕量級(jí)GPU編程工具開發(fā)方法、高層次抽象的函數(shù)庫(kù)等方法，下文將會(huì)詳細(xì)講述這幾個(gè)開發(fā)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.底層圖形API的異構(gòu)計(jì)算程序開發(fā)方法

這種方法是最早采用GPU的一種主要方法，目前仍然在使用，這種開發(fā)方法要求開法陣非常熟悉底層圖形API，在編程中采用的語言一般為圖形庫(kù)著色語言。早期的GPU產(chǎn)品基本都是采用分離渲染架構(gòu)，可編程能力非常差。

自21世紀(jì)開始，隨著GeForce3的出現(xiàn)，頂點(diǎn)可編程得到普及，這種編程逐漸使用在異構(gòu)計(jì)算程序開發(fā)中，人們開始采用紋理著色+寄存器組合器的方法，然后采用像素級(jí)可編程性，通過底層圖形API提供可控制能力，最常見的圖形API包括OpenGL和DirectX，其中DirectX主要是作為微軟視窗來使用，OpenGL是被廣泛接受的一種。這種方法目前仍然在使用，在新的CPU產(chǎn)品上執(zhí)行效率會(huì)存在很大的不足。

2.采用低層次抽象的輕量級(jí)編程工具的異構(gòu)計(jì)算程序開發(fā)方法

CUPA在GPU中主要是作為數(shù)據(jù)并行計(jì)算設(shè)備的軟硬件體系，是一個(gè)完整的圖形處理器，提供一個(gè)硬件的直接訪問接口，保證GPU無需采用圖形API就能實(shí)現(xiàn)訪問，編程語言采用的是C語言，能夠提供計(jì)算指令開發(fā)能力，建立高效的密集數(shù)據(jù)計(jì)算方法，適合使用在CPU等類型架構(gòu)中。CUDA是一種開放標(biāo)準(zhǔn)，能夠?yàn)镃PU和GPU提供異構(gòu)群進(jìn)行編程，不需要再采用映射到底層圖形API的方法，操作更加簡(jiǎn)單。

3.高層次抽象的編譯器的異構(gòu)計(jì)算程序開發(fā)方法

這種方法是通過使用指示語句、編譯器自動(dòng)生產(chǎn)GPU內(nèi)核程序的一種方式。GPU編譯器引進(jìn)一種語句來指示代碼在進(jìn)行執(zhí)行，所采用的HMPP處理語言是一種基于標(biāo)簽語法的語言程序，利用HMPP能夠保證軟硬件的獨(dú)立，同時(shí)具有CUDA和OpenCL代碼生成器，改進(jìn)硬件加速程序段。代碼生成器從原來的C程序提取并行化的部分，轉(zhuǎn)化為CUPA代碼，不需要重新編寫程序。針對(duì)采用少量專業(yè)領(lǐng)域算法的應(yīng)用程序，這是一種比較好的開發(fā)方法，影響性能的關(guān)鍵在于少量程序段，能夠獲得最大的加速效果，但是在使用中一般不適合使用在遺留代碼較多的場(chǎng)所。

除了以上幾種開發(fā)方法之外，還有基于高層抽象的函數(shù)庫(kù)的開發(fā)方法，提供廣泛使用快速極端離散相似的接口，不能直接取代，需要先進(jìn)行封裝后才能代替程序中的函數(shù)，方便使用在簡(jiǎn)單的矩陣計(jì)算中。管理多個(gè)GPU設(shè)備可以采用OpenMPa技術(shù)，管理CPU+GPU異構(gòu)系統(tǒng)可以采用MPI或者是Charm++技術(shù)。

綜上所述，本文主要研究CPU+GPU異構(gòu)計(jì)算模式程序開發(fā)中編程方法，總結(jié)各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，目前關(guān)于研究CPU+GPU異構(gòu)計(jì)算研究非常快速，隨著編程方法研究的不斷成熟，CPU+GPU異構(gòu)計(jì)算將會(huì)發(fā)揮出更大的作用。

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