Akceleracja GPU w praktyce – OpenCL

Spis treści

Drzemiące megaflopy

Powstała koncepcja GPGPU, czyli General Purpose Graphics Processing Unit. „Jednostka przetwarzania grafiki ogólnego zastosowania” brzmi bez sensu – w końcu służy do grafiki czy do ogólnych zastosowań? Okazuje się, że programowalne jednostki obliczeniowe nowoczesnych GPU mogą służyć i do tego, i do tego. 

W tym miejscu musimy się zastanowić, jak programy korzystają z układów graficznych. Procesor to jasna sprawa: ktoś pisze kod, a system operacyjny dba o jego prawidłowe wykonanie równocześnie z setkami innych fragmentów kodu. Ale karta graficzna nie jest bezpośrednio programowalna, nie jest po prostu dodatkową jednostką wykonawczą procesora. Jej pamięć nie jest częścią przestrzeni adresowej „głównej” pamięci operacyjnej komputera – nie wpisuje się bezpośrednio do niej kodu i instrukcji. Pośredniczy w tym sterownik, udostępniający różne interfejsy programowania, czyli sposoby odwoływania się do karty. Takimi interfejsami są na przykład DirectX i OpenGL. 

Wraz z rozwojem sprzętu, o którym wspomnieliśmy w pierwszym akapicie, następował rozwój wspomnianych interfejsów. Najbardziej znane i najczęściej wykorzystywane to:

• DirectX – to cały zbiór różnych interfejsów programistycznych, z których karty graficznej dotyczą: DirectDraw, Direct 2D (oba używane do wyświetlania grafiki dwuwymiarowej), Direct3D (wyspecjalizowany w wyświetlaniu grafiki trójwymiarowej, wykorzystywany przez większość gier) i DirectCompute (do wykonywania obliczeń na GPU). DirectX jest ściśle związany z systemem Windows. Od dawna stosuje się go nie tylko w grach: na przykład wiele programów odtwarzających filmy wyświetla obraz z użyciem DirectDraw.
• OpenGL – główny rywal DirectX, o bardzo podobnej funkcjonalności. Jest otwartym standardem nieprzywiązanym do żadnego systemu operacyjnego. Wykorzystują go niektóre gry, szczególnie te dostępne na Linuksa lub Mac OS X. Oprócz tego jest powszechnie stosowany do wyświetlania grafiki dwu- i trójwymiarowej w profesjonalnych narzędziach, takich jak produkty Adobe i Autodesk.
• CUDA – interfejs programowania kart graficznych Nvidii służący do wykonywania obliczeń. Jest dostępny w wersjach dla Windows, Linuksa i Mac OS X, ale to standard zamknięty, ograniczony do układów Nvidii. Wykorzystywany głównie w przemyśle i badaniach naukowych, a tam i tak używa się oprogramowania dostosowanego do konkretnych maszyn. 
• OpenCL – interfejs programowania wyspecjalizowany w obliczeniach, nie tylko wykonywanych z użyciem procesorów graficznych. Pozwala jednakowo potraktować wszystkie urządzenia obliczeniowe w komputerze: procesor, GPU, a nawet różnego rodzaju procesory sygnałowe. 
• DXVA, XVBA, XVMC, VA-API, OpenVideo Decode, VDPAU, Intel ClearVideo, Intel QuickSync – cała gama interfejsów programistycznych dających dostęp do wbudowanych w układy graficzne wąsko wyspecjalizowanych jednostek kodowania i dekodowania wideo. Karty AMD mają dekoder UVD i koder VCE, Intel ma ClearVideo i QuickSync, Nvidia – PureVideo; są to jednak wyspecjalizowane jednostki wbudowane w krzem. Są one w mniejszym lub większym zakresie programowalne, ale mogą służyć tylko do obróbki wideo – nie można powiedzieć, że są ogólnego zastosowania. 

W tym artykule przyjrzymy się temu przedostatniemu, OpenCL, a szczególnie wykorzystaniu go w programach użytkowych, z którymi domowy użytkownik może się zetknąć na co dzień.