OpenCL

痛定思痛。 2022-07-13 09:40 249阅读 0赞

OpenCL(全称Open Computing Language，开放运算语言)是第一个面向异构系统通用目的并行编程的开放式、免费标准，也是一个统一的编程环境，便于软件开发人员为高性能计算服务器、桌面计算系统、手持设备编写高效轻便的代码，而且广泛适用于多核心处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、Cell类型架构以及[数字信号处理器][Link 1](DSP)等其他并行处理器，在游戏、娱乐、科研、医疗等各种领域都有广阔的发展前景。

## 基本信息 ##

*  中文名称
    
    开放运算语言

*  外文名称
    
    Open Computing Language

## [折叠][Link 2][编辑本段][Link 3]基本信息 ##

OpenCL是一个为异构平台编写程序的框架，此异构平台可由CPU，[GPU][]或其他类型的处理器组成。OpenCL由一门用于编写kernels (在OpenCL设备上运行的函数)的语言(基于[C99][])和一组用于定义并控制平台的API组成。OpenCL提供了基于任务分割和[数据分割][Link 4]的[并行计算][Link 5]机制。

OpenCL类似于另外两个开放的工业标准[OpenGL][]和[OpenAL][]，这两个标准分别用于三维图形和计算机音频方面。OpenCL扩展了GPU用于图形生成之外的能力。OpenCL由非盈利性技术组织[Khronos Group][]掌管。

## [折叠][Link 2][编辑本段][Link 6]历史发展 ##

OpenCL最初[苹果公司][Link 7]开发，拥有其商标权，并在与AMD，IBM，[英特尔][Link 8]和[nVIDIA][]技术团队的合作之下初步完善。随后，苹果将这一草案提交至[Khronos Group][]。

2008年6月的WWDC大会上，苹果提出了OpenCL规范，旨在提供一个通用的开放API，在此基础上开发GPU通用计算软件。随后，Khronos Group宣布成立GPU通用计算开放行业标准工作组，以苹果的提案为基础创立OpenCL行业规范。5个月后的2008年11月18日，该工作组完成了OpenCL 1.0规范的技术细节。2010年6月14日，OpenCL 1.1 发布。2011年11月15日，OpenCL 1.2 发布。2013年11月19日，OpenCL 2.0发布。

## [折叠][Link 2][编辑本段][Link 9]支持现状 ##

2009年6月NVIDIA首家发布了支持OpenCL 1.0通用计算规范的驱动程序，支持Windows和Linux操作系统。

2009年8月初AMD首次发布了可支持IA处理器(x86和amd64/x64)的OpenCL SDK--ATI Stream SDK v2.0Beta，立即交由业界标准组织KHRONOS进行审核。目前，该SDK更名为AMD APP SDK。

2012年2月，intel发布了The Intel&reg; SDK for OpenCL\* Applications 2012，支持OpenCL 1.1基于带HD4000/2500的[显示核心][Link 10]的第三代[酷睿][Link 11]CPU(i3,i5,i7).和GPU。

2013年6月，intel发布了第四代酷睿CPU haswell 其内置的HD4600/4400/4200 Iris(锐矩)5000/5100/pro 5200(自带eDRAM缓存)支持OpenCL 1.2(未来可能升级到OpenCL 2.0)

NVIDIA显卡方面 Geforce 8000\\9000\\100\\200\\300\\400\\500\\600\\700\\800\\900均支持OpenCL 1.0-1.2

AMD显卡方面 Radeon HD 4000\\5000\\6000\\7000\\Rx 200 均支持OpenCL 1.0-1.2，除Radeon HD4000系列外，其余均会支持OpenCL 2.0

移动平台方面目前高通adreno320/330提供了Android上的OpenCL1.1支持，NVIDIA的Tegra K1也提供了OpenCL 支持。

## [折叠][Link 2][编辑本段][Link 12]组织成员 ##

OpenCL工作组的成员包括:3Dlabs、AMD、苹果、ARM、Codeplay、爱立信、飞思卡尔、华为、HSA基金会、Graphic[Remedy][]、IBM、Imagination Technologies、Intel、诺基亚、NVIDIA、摩托罗拉、QNX、高通，三星、Seaweed、德州仪器、布里斯托尔大学、瑞典Ume大学。

像Intel、NVIDIA和AMD都是这个标准的支持者，不过[微软][Link 13]并不在其列。

## [折叠][Link 2][编辑本段][Link 14]使用介绍 ##

目前，NVIDIA[显卡][Link 15]对OpenCL技术支持得比较到位，所以这里仅用NVIDIA的Geforce(精视)系列显卡作解释。

中国用户可以登录英伟达中文官方网站上下载到最新的[驱动程序][Link 16]，只要您下载的驱动是195.62版本或更高，就可以在Geforce(精视)8系列或更高级的[显卡][Link 15]中开启OpenCL，在安装好新版本的显卡驱动程序并重新启动后，OpenCL就自动开启了。当有需要使用CPU来完成的工作如转换视频时，GPU就会帮助CPU进行运算，以提高转换速度。但是在3D游戏中应该是不会调用OpenCL的，因为[显卡][Link 15]有自己的[硬件加速][Link 17]功能以及物理引擎，所以Geforce(精视)8系列及以上的显卡就不需要CPU辅助进行渲染了。这时候，您就可以一边玩游戏，一边进行消耗CPU的工作了。

当然同样，在NVIDIA的Quadro系列专业[显卡][Link 15]中，同样能够使用OpenCL技术。只要您的[显卡][Link 15]能够达到CUDA的要求，就能够正常使用OpenCL，以获得优异的CPU运算效率。

在AMD-ATI的Stream技术中(现已经改名为AMD APP并行加速技术)，已经为日常使用、办公、游戏等提供物理加速。基于OpenCL标准开发，其中，ATI Radeon HD 4000-5000、AMD Radeon HD 6000系列同时支持ATI Stream和AMD APP(由于Stream基于CAL和Brook+语言开发，更适合VLIW5和VLIW4这样的SIMD架构)，AMD Radeon HD7000和Radeon Rx 200系列支持AMD APP，运算效率较老架构提升十分明显。

OpenCL 1.0

OpenCL 1.0主要由一个[并行计算][Link 5]API和一种针对此类计算的编程语言组成，此外还特别定义了:

1、C99编程语言并行扩展子集;

2、适用于各种类型异构处理器的坐标数据和基于任务[并行计算][Link 5]API;

3、基于IEEE 754标准的数字条件;

4、与OpenGL、OpenGL ES和其他图形类API高效互通。

OpenCL 1.1

Khronos Group2010年6月15日宣布，OpenCL通用计算标准的1.1版本已经发放，开发者可以免费下载，并依照新标准开始进行编程。

OpenCL 1.1标准向下兼容1.0版，提供了更多的新功能，并对性能进行了改善。主要新特性包括:

\- 支持新[数据类型][Link 18]，如3维矢量和新增[图像格式][Link 19]。

\- 支持处理多Host指令以及跨设备Buffer处理。

\- Buffer区域操作，包括对1D、2D、3D三角形区域的读、写和拷贝操作。

\- 改进驱动和控制指令执行的事件应用。

\- 增加OpenCL内建C功能。

\- 通过链接OpenCL和OpenGL事件，高效共享图像和Buffer，改进与OpenGL的互操作性。

OpenCL标准由Khronos Group的OpenCL工作组制定，完全开放，任何开发者都可免费使用。OpenCL工作组成员包括(英文首字母排序):3DLABS、动视暴雪、AMD、苹果、ARM、Broadcom、CodePlay、EA、爱立信、飞思卡尔、富士通、通用电气、Graphic[Remedy][]、HI、IBM、Intel、Imagination Technologies、美国Los Alamos国家实验室、摩托罗拉、Movidia、诺基亚、NVIDIA、Petapath、QNX、高通、RapidMind、三星、Seaweed、S3、意法半导体、Takumi、德州仪器、东芝和Vivante。

OpenCL 2.0

Khronos Group2013年11月19日宣布了OpenCL通用计算标准的2.0版本特性，其中对共享虚拟内存的支持是一大亮点(此前NVIDIA发布了CUDA 6规范也同样支持共享虚拟内存，但目前仅限Kepler和Maxwell架构的N卡。此外，AMD的GCN架构显卡同样支持。AMD的Kaveri APU支持HSA异构计算和hUMA统一物理寻址，较虚拟共享更加先进。)

1、共享虚拟内存

主机和设备内核可以直接共享复杂的、包含指针的数据结构，大大提高编程灵活性，避免冗余的数据转移。

2、动态并行

设备内核可以在无需主机交互的情况下进行内核排队，实现灵活的工作调度，避免数据转移，大大减轻主处理器的负担。

3、通用内存空间

无需指定地址空间名称即可为引数(argument)编写函数，不用再为程序里的每一个地址空间名称编写函数。

4、图像

改进图像支持，包括sRGB、3D，内核可以读写同一图像。

5、C11原子操作

新的C11原子和同步操作子集，分配在同一工作组内

6、Pipes

以FIFO格式组织数据的内存对象，可以直接读写，数据结构可简单编程、高度优化。

7、安卓可安装客户端驱动扩展

安卓系统上可将OpenCL作为共享对象进行载入

## [折叠][Link 2][编辑本段][Link 20]框架组成 ##

OpenCL平台API:平台API定义了宿主机程序发现OpenCL设备所用的函数以及这些函数的功能，另外还定义了为OpenCL应用创建上下文的函数。

OpenCL运行时API:这个API管理上下文来创建命令队列以及运行时发生的其他操作。例如，将命令提交到命令队列的函数就来自OpenCL运行时API。

OpenCL编程语言:这是用来编写内核代码的编程语言。它基于ISO C99标准的一个扩展子集，因此通常称为OpenCL C编程语言。

把上述单独的部分汇集起来，形成OpenCL的一个全景图，如下图所示:

[![OpenCL全景图][OpenCL]OpenCL全景图][OpenCL_OpenCL_OpenCL]首先是一个定义上下文的宿主机程序。如上图中中的上下文包含两个OpenCL设备、一个CPU和一个GPU。接下来定义了命令队列。这里有两个队列，一个是面向GPU的有序命令队列，另一个是面向CPU的乱序命令队列。然后宿主机程序定义一个程序对象，这个程序对象编译后将为两个OpenCL设备(CPU和GPU)生成内核。接下来宿主机程序定义程序所需的内存对象，并把它们映射到内核的参数。最后，宿主机程序将命令放入命令队列来执行这些内核。

[Link 1]: http://baike.so.com/doc/290413-307429.html
[Link 2]: http://baike.so.com/doc/5467700-5705612.html#
[Link 3]: http://baike.so.com/create/edit/?eid=5467700&sid=5705612&secid=1
[GPU]: http://baike.so.com/doc/391805-414856.html
[C99]: http://baike.so.com/doc/1583110-1673494.html
[Link 4]: http://baike.so.com/doc/4936634-5157165.html
[Link 5]: http://baike.so.com/doc/6555550-6769301.html
[OpenGL]: http://baike.so.com/doc/4785957-5001950.html
[OpenAL]: http://baike.so.com/doc/5368856-5604692.html
[Khronos Group]: http://baike.so.com/doc/3689913-3877911.html
[Link 6]: http://baike.so.com/create/edit/?eid=5467700&sid=5705612&secid=2
[Link 7]: http://baike.so.com/doc/870224-920179.html
[Link 8]: http://baike.so.com/doc/5594531-5807131.html
[nVIDIA]: http://baike.so.com/doc/6774997-6990316.html
[Link 9]: http://baike.so.com/create/edit/?eid=5467700&sid=5705612&secid=3
[Link 10]: http://baike.so.com/doc/1074017-1136468.html
[Link 11]: http://baike.so.com/doc/1450001-1532760.html
[Link 12]: http://baike.so.com/create/edit/?eid=5467700&sid=5705612&secid=4
[Remedy]: http://baike.so.com/doc/1309043-1384028.html
[Link 13]: http://baike.so.com/doc/2130745-2254356.html
[Link 14]: http://baike.so.com/create/edit/?eid=5467700&sid=5705612&secid=5
[Link 15]: http://baike.so.com/doc/2864149-3022502.html
[Link 16]: http://baike.so.com/doc/104837-110638.html
[Link 17]: http://baike.so.com/doc/5841573-6054405.html
[Link 18]: http://baike.so.com/doc/1933730-2045809.html
[Link 19]: http://baike.so.com/doc/667948-707013.html
[Link 20]: http://baike.so.com/create/edit/?eid=5467700&sid=5705612&secid=6
[OpenCL]: http://p3.qhmsg.com/dr/220__/t01b5039c587eee5e61.jpg
[OpenCL_OpenCL_OpenCL]: /images/20220713/b68b793200544e1dbe723b3bff94b1e1.png