【GPU并行计算】利用OpenCL&OpenCLUtilty进行GPU并行计算

问题背景介绍

CPU：运算核心较少，在大规模并行计算能力上极受限制，擅长流程控制和逻辑处理

GPU：运算核心较多，适合数据并行的计算密集型任务

异构计算：CPU处理复杂的逻辑运算和流程控制，当需要处理大量类型统一的数据时，再调用GPU进行并行计算

OpenCL和CUDA的区别&下载

OpenCL(Open Computing Langugae,开放运算语言)是第一个面向异构系统(此系统中可由CPU，GPU或其它类型的处理器架构组成)的并行编程的跨平台的开放式标准。

CUDA（Compute Unified Device Architecture,统一计算架构），是显卡厂商NVIDIA推出的运算平台。 该架构使GPU能够解决复杂的计算问题。 它包含了CUDA指令集架构（ISA）以及GPU内部的并行计算引擎。 开发人员可以使用C、 C++和FORTRAN（或者是OpenCL）来为CUDA架构编写程序，所编写出的程序可以在支持CUDA的处理器上以超高性能运行。

CUDA和OpenCL，前者是配备完整工具包、针对单一供应商(NVIDIA)的成熟的开发平台，后者是一个开放的标准。OpenCL是一个API，在第一个级别，CUDA架构是更高一个级别，在这个架构上不管是OpenCL还是DX11这样的API，还是像C语言、Fortran、DX11计算，都可以支持。

Choose & Download Intel® SDK for OpenCL™ Applications 

CUDA Toolkit Archive | NVIDIA Developer 

OpenCL的基本概念 platform & device

    平台（platform）可被认为是不同厂商提供的OpenCL API的实现。如果一个平台选定之后一般只能运行该平台所支持的设备。就当前的情况来看，如果选择了Intel的OpenCL SDK就只能使用Intel的CPU来进行计算了，如果选择AMD的APP SDK则能进行AMD的CPU和AMD的GPU来进行计算。
    一般而言，A公司的平台选定之后不能与B公司的平台进行通信。

平台由两部分组成，宿主机和设备:
宿主机Host ：宿主机一般为CPU，扮演组织者的角色。
设备Device ：通常称为计算设备，设备有一个或多个计算单元，计算单元又包含一个或多个处理单元。在设备上运行的程序被称为核函数 （对于核函数的编写，CUDA一般直接写在程序内，OpenCL是写在一个独立的文件中，并且文件后缀是.cl，由主机代码读入后执行）

上下文context

 定义了整个OpenCL的运行环境，包括设备device、内核kernel、程序对象program、内存对象memory和命令队列CommandQueue ：
设备 device ：        OpenCL程序调用的计算设备。
内核 kernel ：        在设备程序上执行运算的入口函数，在主机上调用。
程序对象 program ：        内核程序的源代码(.cl文件)和可执行文件。
内存对象 memory ：        计算设备执行OpenCL程序所需的变量。
命令队列 CommandQueue ：    队列控制着kernel如何执行以及何时执行等细节。

内核kernel & 程序对象program 

工作项（Work-item）： 跟CUDA中的线程（Threads）是同一个概念，
N多个工作项（线程）执行同样的核函数，每个Work-item都有一个唯一固定的ID号，一般通过这个ID号来区分需要处理的数据。work-item是抽象的计算单元，和物理层面分配的计算单元不完全对应，一个实际物理计算单元也可以分别计算多个work-item。
工作组（Work-group）：跟CUDA中的线程块（Block）是同一个概念，
N多个工作项组成一个工作组，Work-group内的这些Work-item之间可以通信和协作。

内核启动接口clEnqueueNDRangeKernel 

 

 

跟CUDA中的 “<<>>来指定kernel要调度的线程数量” 是同一个概念，定义了Work-group的组织形式。
其中，三个重要参数：
global_work_offset：     global_id的偏移量
global_work_size：    总的work-item数量
local_work_size：        虚拟的分区，定义work-group的中包含的work-item数量

举个例子：获取当前坐标x

get_global_id(0) = get_group_id(0) * get_local_size(0) + get_local_id(0) + get_global_offset(0) ;

核函数 & 内核 & 内核启动

一个简单的内核，将输入的二维数组中的数据乘以2后，放入输出数组中

 

 

OpenCL的封装库: OpenCLUtilty

GitHub - smistad/Tube-Segmentation-Framework: A software for fast segmentation and centerline extraction of tubular structures (e.g. blood vessels and airways) from different modalities and organs using GPUs and OpenCL 

https://registry.khronos.org/OpenCL/specs/opencl-cplusplus-1.2.pdf

https://github.com/smistad/OpenCLUtilityLibrary

举例：A + B = C

这里基于OpenCLUtilty开发opencl运行程序，A + B = C。流程类似上图。

 

举例：3维数据的一阶特征计算

 一个开源的python包，用于从医学成像中提取放射组学特征

Radiomic Features — pyradiomics v3.0.1.post15+g2791e23 documentation