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OpenCL的多GPU和多核CPU異構計算--1

阿新 • • 發佈：2019-01-14

原作者：飛鴻驚雪 地址點選開啟連結

本文主要探究OpenCL的GPU和多核CPU的異構計算問題，主要簡要闡述了什麼是OpenCL異構計算，講述CPU和GPU各自的特點，並且把他們結合起來做異構計算的前景。然後具體講述在高效能實驗室Linux工作站上如何搭建多GPU和多核CPU異構OpenCL環境。最後用實驗驗證了所安裝的OpenCL異構計算環境能夠正常工作，說明什麼是OpenCL的多GPU與多核CPU異構環境的platform，device等。

1 何為OpenCL異構計算

        OpenCL不僅僅是一種計算機語言，更是一個非常好的API，它可以使得開發者很容易的開發出跨平臺的GPU計算程式，充分利用GPU強大的計算能力然後應用在各種領域。同時OpenCL對於異構運算的支援也開始明朗化。


圖1 OpenCL標準所提倡的CPU-GPU異構計算

        我們知道CPU和GPU各有所長，一般而言CPU擅長處理不規則資料結構和不可預測的存取模式，以及遞迴演算法、分支密集型程式碼和單執行緒程式。這類程式任務擁有複雜的指令排程、迴圈、分支、邏輯判斷以及執行等步驟。例如，作業系統、文書處理、互動性應用的除錯、通用計算、系統控制和虛擬化技術等系統軟體和通用應用程式等等。而GPU擅於處理規則資料結構和可預測存取模式。例如，光影處理、3D 座標變換、油氣勘探、金融分析、醫療成像、有限元、基因分析和地理資訊系統以及科學計算等方面的應用。


圖2 AMD GPU在OpenCL下的儲存體系

        儘管在不少方面GPU表現優異，但在一段時間內，還會維持CPU與GPU各自發展的態勢，它們可以繼續在各自擅長的領域發揮作用，而未來的演進方向是相互取長補短，走向融合，而OpenCL正是它們融合與並行發展的連線橋樑。從CPU角度來講，為了提高處理能力，以前是多執行緒，目前是多核，將來的發展方向是眾核。
OpenCL的標準很大程度上決定了它的未來。獲得整個計算機/視訊硬體行業的支援也將起到幫助作用。從獨立軟體開發商的角度來看，OpenCL是通向混合（GPU/CPU）計算的大門。任何涉足高效能運算領域的人都會告訴你，在非標準的API上投入資金和時間是一項具有風險的業務，而OpenCL顯然具備更大的潛力。



圖3 ATI Stream在Open CL下程式設計模型

        CPU正向不斷增加吞吐量和提高能效性的方向發展；而從GPU角度來講，其可程式設計效能本來是在晶片內部固化的程式，然後發展到區域性可程式設計，最後是完全可程式設計。也就是說，GPU是在提高所處理的吞吐量的同時，向通用處理的方向發展。


2 Linux工作站下搭建OpenCL環境

        高效能實驗室，已經在兩臺工作站上配置了Linux的OpenCL環境。

其中的硬體和作業系統等配置如下：

高效能實驗室workstation-1：

1 Redhat Linux 6.1 64位作業系統
2 64位AMD 6核處理器，32G記憶體，500G硬碟，雙顯示卡
3 顯示卡1：華碩HD 6870：AMD的GPU晶片ATI Radeon HD 6870
4 顯示卡2：NVIDIA Quadro FX 4800

高效能實驗室workstation-2：


1. Arch Linux 64位作業系統
2. 64位AMD 6核處理器，32G記憶體，500G硬碟，雙顯示卡
3. 顯示卡1：NVIDIA Quadro FX 4800
4. 顯示卡2：NVIDIA Quadro FX 4800

        總的來說GPU顯示卡的環境配置主要步驟是先裝顯示卡驅動，再裝OpenCL SDK；而AMD CPU的環境配置只要直接安裝AMD 的OpenCL SDK就行了，像workstation-1中，已經為顯示卡安裝了AMD OpenCL SDK因此可以直接使用CPU；而像workstation-2如果打算在多核CPU上執行程式，則也要在安裝一個AMD OpenCL SDK維AMD的CPU提供OpenCL環境。具體環境的配置如下。

2.1 RedHat Linux 6.1工作環境搭建

        首先在Linux文字模式下安裝ATI顯示卡驅動，再在圖形介面下安裝AMD OpenCL SDK。

2.1.1 安裝ATI顯示卡驅動

華碩HD 6870顯示卡的GPU晶片為ATI Radeon HD 6870，到AMD主頁上下載最新的顯示卡驅動，這裡是ati-driver-installer-8.85.7.2-x86.x86_64.run。
安裝驅動
進入Linux下的文字命令列模式（也即啟動方式為3），root根使用者下執行命令：
  1. ./ati-driver-installer-8.85.7.2-x86.x86_64.run   
直到顯示卡驅動成功，會出現如下顯示：
  1. Created directory fglrx-install.0PFT89  
  2. Verifying archive integrity... All good.  
  3. Uncompressing ATI Catalyst(TM) Proprietary Driver-8.911  
  4. ......................................................................................................  
  5. ==================================================================  
  6. ATI Technologies Catalyst(TM) Proprietary Driver Installer/Packager   
  7. ==================================================================  
  8. Detected configuration:  
  9. Architecture: i686 (32-bit)  
  10. X Server: X.Org 6.9 or later  
配置驅動程式，執行下面的命令
  1. aticonfig --initial  
沒有輸出錯誤資訊，說明安裝正常。

重新設為X Window模式（即為啟動方式5），重啟，下面安裝AMD OpenCL SDK。

2.1.2 安裝AMD OpenCL SDK

下載64位AMD OpenCL SDK軟體AMD-APP-SDK-v2.5-RC2-lnx64.tgz
解壓原始AMD openCL SDK包
  1. su  
  2. mkdir SDK-install  
  3. cd SDK-install  
  4. cp AMD-APP-SDK-v2.5-lnx64.tgz ./  
  5. tar -xvzf AMD-APP-SDK-v2.5-lnx64.tgz  
  6. rm AMD-APP-SDK-v2.5-lnx64.tgz  
執行自動安裝sh
  1. ./ Install-APP.sh  
重啟機器
  1. reboot  
執行測試程式，啟用OpenCL環境
  1. cd /opt/AMDAPP/samples  
  2. make  
編譯正常，沒有出錯！

按理說不需要這一步，因為樣例程式可以不編譯測試，但是不知為何這個opencl不編譯樣例程式就不能正常執行，必須要編譯，搞不懂。

到samples/opencl/bin/x86_64下執行編譯好的樣例程式

  1. cd opencl/bin/x86_64  
  2. ./FFT  

執行正常沒有出錯！
注意：必須到OpenCl安裝目錄make編譯一遍，不然OpenCL環境沒被啟用，不能使用。

2.2 Arch Linux工作環境搭建

該工作站中，有兩個NVIDIA的顯示卡，還有一個AMD的多核CPU，因此安裝步驟主要是以下三步：

        第一 安裝NVIDIA顯示卡驅動；

        第二 安裝NVIDIA的OpenCL SDK--供NVIDIA的GPU使用；

        第三 安裝AMD的OpenCL SDK--供AMD多核CPU使用；

具體的安裝步驟和2.1節中形似，這裡不多冗述。

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