关于CPU+GPU异构计算模式程序开发中编程方法研究

摘 要：与传统的单纯以CPU作为计算部位的同构计算系统相比，CPU+GPU异构计算模式程序优势更加明显，本文主要研究CPU+GPU异构计算模式程序开发中编程方法，总结各种方法的优缺点，希望能为相关人员带来一些帮助。

关键词：异构计算； 编程； CPU； GPU

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2014）10-149-001

CPU+GPU协同计算是异构计算的一种，在处理大量的数据中，仅仅使用CPU太过繁琐，异构计算能够极大的提高系统速度，目前CPU+GPU是国内外高性能计算领域的热点研究话题，目前在程序开发中存在不少的难点，本文主要研究CPU+GPU异构计算模式开发中编程方法。

一、CPU+GPU异构计算编程方法概述

目前异构计算使用最多的是利用GPU来加速，基于CPU+GPU的异构计算系统是指计算机系统中配合使用CPU+GPU共同承担计算任务，优势非常明显。采用GPU能够更加快速完成任务，如在浮点运算功能中，GPU的能力要远远高于CPU。GPU的应用领域从图形处理逐渐向通用计算机发展。当前单纯采用CPU来搭建计算机系统遇到了功耗、扩展性能等问题，而采用CPU+GPU能够很好的解决这些问题。

虽然采用CPU+GPU的异构计算有很多的优点，但是在实际的应用中，异构计算面对着很多的问题需要解决。在这些问题中，表现最为明显的是程序开发遇到的问题，主要是因为GPU在设计中最开始是用于专业图形处理领域，而不是计算领域中，这就导致了GPU本身的体系框架与计算机的硬件不太实用，出现数据传输限制等问题，因此在使用中必须专门考虑这些问题。另外目前关于GPU软件开发方面很多技术还不够成熟，虽然目前的一些计算机统一设备架构降低了开发难度，但是在处理以往应用中的大量遗留代码方面仍然是一个问题。目前关于异构计算的标准开发计算语言还不够成熟，CPU+GPU异构计算系统应用还存在不少的问题。

二、CPU+GPU异构计算程序开发方法

目前在CPU+GPU异构计算程序开发计算中，程序开发方法主要包括低层次抽象的轻量级GPU编程工具开发方法、高层次抽象的函数库等方法，下文将会详细讲述这几个开发方法的优缺点。

1.底层图形API的异构计算程序开发方法

这种方法是最早采用GPU的一种主要方法，目前仍然在使用，这种开发方法要求开法阵非常熟悉底层图形API，在编程中采用的语言一般为图形库着色语言。早期的GPU产品基本都是采用分离渲染架构，可编程能力非常差。

自21世纪开始，随着GeForce3的出现，顶点可编程得到普及，这种编程逐渐使用在异构计算程序开发中，人们开始采用纹理着色+寄存器组合器的方法，然后采用像素级可编程性，通过底层图形API提供可控制能力，最常见的图形API包括OpenGL和DirectX，其中DirectX主要是作为微软视窗来使用，OpenGL是被广泛接受的一种。这种方法目前仍然在使用，在新的CPU产品上执行效率会存在很大的不足。

2.采用低层次抽象的轻量级编程工具的异构计算程序开发方法

CUPA在GPU中主要是作为数据并行计算设备的软硬件体系，是一个完整的图形处理器，提供一个硬件的直接访问接口，保证GPU无需采用图形API就能实现访问，编程语言采用的是C语言，能够提供计算指令开发能力，建立高效的密集数据计算方法，适合使用在CPU等类型架构中。CUDA是一种开放标准，能够为CPU和GPU提供异构群进行编程，不需要再采用映射到底层图形API的方法，操作更加简单。

3.高层次抽象的编译器的异构计算程序开发方法

这种方法是通过使用指示语句、编译器自动生产GPU内核程序的一种方式。GPU编译器引进一种语句来指示代码在进行执行，所采用的HMPP处理语言是一种基于标签语法的语言程序，利用HMPP能够保证软硬件的独立，同时具有CUDA和OpenCL代码生成器，改进硬件加速程序段。代码生成器从原来的C程序提取并行化的部分，转化为CUPA代码，不需要重新编写程序。针对采用少量专业领域算法的应用程序，这是一种比较好的开发方法，影响性能的关键在于少量程序段，能够获得最大的加速效果，但是在使用中一般不适合使用在遗留代码较多的场所。

除了以上几种开发方法之外，还有基于高层抽象的函数库的开发方法，提供广泛使用快速极端离散相似的接口，不能直接取代，需要先进行封装后才能代替程序中的函数，方便使用在简单的矩阵计算中。管理多个GPU设备可以采用OpenMPa技术，管理CPU+GPU异构系统可以采用MPI或者是Charm++技术。

综上所述，本文主要研究CPU+GPU异构计算模式程序开发中编程方法，总结各种方法的优缺点，目前关于研究CPU+GPU异构计算研究非常快速，随着编程方法研究的不断成熟，CPU+GPU异构计算将会发挥出更大的作用。

参考文献：

[1]王伟，郭绍忠，王磊，等.一种基于CPU-GPU异构计算的混合编程模型[J]信息工程大学学报，2010，1（06）：674-678.

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