OpenCL的多GPU和多核CPU异构计算--1

原作者：飞鸿惊雪 地址点击打开链接

本文主要探究OpenCL的GPU和多核CPU的异构计算问题，主要简要阐述了什么是OpenCL异构计算，讲述CPU和GPU各自的特点，并且把他们结合起来做异构计算的前景。然后具体讲述在高性能实验室Linux工作站上如何搭建多GPU和多核CPU异构OpenCL环境。最后用实验验证了所安装的OpenCL异构计算环境能够正常工作，说明什么是OpenCL的多GPU与多核CPU异构环境的platform，device等。

1 何为OpenCL异构计算

        OpenCL不仅仅是一种计算机语言，更是一个非常好的API，它可以使得开发者很容易的开发出跨平台的GPU计算程序，充分利用GPU强大的计算能力然后应用在各种领域。同时OpenCL对于异构运算的支持也开始明朗化。

图1 OpenCL标准所提倡的CPU-GPU异构计算

        我们知道CPU和GPU各有所长，一般而言CPU擅长处理不规则数据结构和不可预测的存取模式，以及递归算法、分支密集型代码和单线程程序。这类程序任务拥有复杂的指令调度、循环、分支、逻辑判断以及执行等步骤。例如，操作系统、文字处理、交互性应用的除错、通用计算、系统控制和虚拟化技术等系统软件和通用应用程序等等。而GPU擅于处理规则数据结构和可预测存取模式。例如，光影处理、3D 坐标变换、油气勘探、金融分析、医疗成像、有限元、基因分析和地理信息系统以及科学计算等方面的应用。

图2 AMD GPU在OpenCL下的存储体系

        尽管在不少方面GPU表现优异，但在一段时间内，还会维持CPU与GPU各自发展的态势，它们可以继续在各自擅长的领域发挥作用，而未来的演进方向是相互取长补短，走向融合，而OpenCL正是它们融合与并行发展的连接桥梁。从CPU角度来讲，为了提高处理能力，以前是多线程，目前是多核，将来的发展方向是众核。
OpenCL的标准很大程度上决定了它的未来。获得整个计算机/视频硬件行业的支持也将起到帮助作用。从独立软件开发商的角度来看，OpenCL是通向混合（GPU/CPU）计算的大门。任何涉足高性能计算领域的人都会告诉你，在非标准的API上投入资金和时间是一项具有风险的业务，而OpenCL显然具备更大的潜力。

图3 ATI Stream在Open CL下编程模型

        CPU正向不断增加吞吐量和提高能效性的方向发展；而从GPU角度来讲，其可编程性能本来是在芯片内部固化的程序，然后发展到局部可编程，最后是完全可编程。也就是说，GPU是在提高所处理的吞吐量的同时，向通用处理的方向发展。

2 Linux工作站下搭建OpenCL环境

        高性能实验室，已经在两台工作站上配置了Linux的OpenCL环境。

其中的硬件和操作系统等配置如下：

高性能实验室workstation-1：

1 Redhat Linux 6.1 64位操作系统
2 64位AMD 6核处理器，32G内存，500G硬盘，双显卡
3 显卡1：华硕HD 6870：AMD的GPU芯片ATI Radeon HD 6870
4 显卡2：NVIDIA Quadro FX 4800

高性能实验室workstation-2：
1. Arch Linux 64位操作系统
2. 64位AMD 6核处理器，32G内存，500G硬盘，双显卡
3. 显卡1：NVIDIA Quadro FX 4800
4. 显卡2：NVIDIA Quadro FX 4800

        总的来说GPU显卡的环境配置主要步骤是先装显卡驱动，再装OpenCL SDK；而AMD CPU的环境配置只要直接安装AMD 的OpenCL SDK就行了，像workstation-1中，已经为显卡安装了AMD OpenCL SDK因此可以直接使用CPU；而像workstation-2如果打算在多核CPU上运行程序，则也要在安装一个AMD OpenCL SDK维AMD的CPU提供OpenCL环境。具体环境的配置如下。

2.1 RedHat Linux 6.1工作环境搭建

        首先在Linux文本模式下安装ATI显卡驱动，再在图形界面下安装AMD OpenCL SDK。

2.1.1 安装ATI显卡驱动

华硕HD 6870显卡的GPU芯片为ATI Radeon HD 6870，到AMD主页上下载最新的显卡驱动，这里是ati-driver-installer-8.85.7.2-x86.x86_64.run。
安装驱动
进入Linux下的文本命令行模式（也即启动方式为3），root根用户下运行命令：

[cpp] view plain copy

1. ./ati-driver-installer-8.85.7.2-x86.x86_64.run   

直到显卡驱动成功，会出现如下显示：

[cpp] view plain copy

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  

配置驱动程序，运行下面的命令

[cpp] view plain copy

1. aticonfig --initial  

没有输出错误信息，说明安装正常。

重新设为X Window模式（即为启动方式5），重启，下面安装AMD OpenCL SDK。

2.1.2 安装AMD OpenCL SDK

下载64位AMD OpenCL SDK软件AMD-APP-SDK-v2.5-RC2-lnx64.tgz
解压原始AMD openCL SDK包

[cpp] view plain copy

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  

运行自动安装sh

[cpp] view plain copy

1. ./ Install-APP.sh  

重启机器

[cpp] view plain copy

1. reboot  

运行测试程序，激活OpenCL环境

[cpp] view plain copy

1. cd /opt/AMDAPP/samples  
2. make  

编译正常，没有出错！

按理说不需要这一步，因为样例程序可以不编译测试，但是不知为何这个opencl不编译样例程序就不能正常运行，必须要编译，搞不懂。

到samples/opencl/bin/x86_64下运行编译好的样例程序

[cpp] view plain copy

1. cd opencl/bin/x86_64  
2. ./FFT  

运行正常没有出错！
注意：必须到OpenCl安装目录make编译一遍，不然OpenCL环境没被激活，不能使用。

2.2 Arch Linux工作环境搭建

该工作站中，有两个NVIDIA的显卡，还有一个AMD的多核CPU，因此安装步骤主要是以下三步：

        第一 安装NVIDIA显卡驱动；

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

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

具体的安装步骤和2.1节中形似，这里不多冗述。