OpenCL

OpenCL（オープンシーエル、）は、マルチコアCPUやGPU、Cellプロセッサ、DSPなどによる異種混在の計算資源（ヘテロジニアス環境、ヘテロジニアス・コンピューティング、）を利用した並列コンピューティングのためのクロスプラットフォームなAPIである。主な用途は科学技術計算や画像処理に代表される高性能計算のためのアプリケーションソフトウェアの高速化（ハードウェアアクセラレーション）であり、シミュレーション可視化に用いるリアルタイム3次元コンピュータグラフィックスAPIとの連携も拡張機能として標準化されている。スーパーコンピュータやサーバ、ワークステーションやパーソナルコンピュータのほか、携帯機器などでの利用も想定されており、組み込みシステム向けに必要条件を下げたOpenCL Embedded Profileが存在する。

仕様 OpenCLの仕様はAppleによって提案されたのち、標準化団体クロノス・グループの作業部会（旧）によって策定されている。仕様はロイヤリティフリーなオープン標準として公開されており、仕様に基づいたフレームワークの実装はサードパーティーによって行われる。ただし、実装されたフレームワークに対して許諾される商標ライセンスに必要な仕様一致性テストには、（名目上の手数料）が必要である、2008年12月。

特徴 OpenCLには次のような特徴がある。

CPU（CL_DEVICE_TYPE_CPU）、GPU（CL_DEVICE_TYPE_GPU）、およびCell/FPGA/Xeon PhiThe OpenCL* Platform on Intel(R) Processorsなど（CL_DEVICE_TYPE_ACCELERATOR）の各種計算資源のサポート C言語（ISO C99規格）をベースにしたOpenCL C、あるいはC++言語（ISO C++14規格）をベースにしたOpenCL C++プログラミング言語によるカーネル記述組み込みのベクトル型およびベクトル演算のサポート（float2型、float4型などや、Swizzle演算など）オンラインのOpenCL CコンパイラおよびSPIR-V中間表現のサポート (SPIR 1.2/2.0 for OpenCL 1.2/2.0, SPIR-V 1.0 for OpenCL 2.1) データ並列およびタスク並列のプログラミングモデルのサポート同期ポイント以外での内容の一貫性 (consistency) を保証しない、緩和型一貫性共有メモリモデル () 同期ポイントおよびOpenCLアトミック操作でのホスト・デバイス間のメモリ一貫性を保証する共有仮想メモリ (shared virtual memory: SVM, OpenCL 2.0)The OpenCL Specification Version: 2.0; Document Revision: 29 IEEE 754準拠の単精度浮動小数点数（float型）演算のサポートポインタ渡しおよびfloat型との相互変換関数経由でのアクセスに限定されるIEEE 754-2008準拠の半精度浮動小数点数（half型） OpenCL 1.0においては、half型の直接演算は拡張 (cl_khr_fp16) による任意サポートに留まる OpenCL 1.0においては、倍精度浮動小数点数（double型）は拡張 (cl_khr_fp64) による任意サポートに留まる 1次元/2次元/3次元のイメージオブジェクトのサポート（1次元イメージはOpenCL 1.2以降Other Built-in Data Types） OpenGLおよびOpenGL ESのバッファ、テクスチャ、レンダーバッファとの連携（cl_gl.h、OpenCL 1.0以降の拡張Khronos OpenCL Registry）のイメージ、ディスプレイ、同期オブジェクトとの連携（cl_egl.h、OpenCL 1.2以降の拡張） Direct3D 10のバッファおよびテクスチャとの連携（cl_khr_d3d10_sharing; cl_d3d10.h、OpenCL 1.1以降の拡張） Direct3D 11のバッファおよびテクスチャとの連携（cl_khr_d3d11_sharing; cl_d3d11.h、OpenCL 1.2以降の拡張） DirectX 9のメディアサーフェイス連携（cl_khr_dx9_media_sharing; cl_dx9_media_sharing.h、OpenCL 1.2以降の拡張）

グラフィックスAPIとの関連性および相互運用性 OpenCL類似技術にNVIDIAのCUDA（後述）が存在するが、OpenCLにはCUDA同様に、3DグラフィックスAPIであるOpenGL（クロスプラットフォーム）およびDirect3D（Windowsプラットフォーム専用）との相互運用性（）がAPIレベルで確保されている。

なお、OpenCLの動作ターゲットとしての用件を満たしたGPU（主にDirectX 10世代以上の統合型シェーダーアーキテクチャを採用したGPU）で使用できるDirect3D API（Direct3D 10およびDirect3D 11）との相互運用機能は、クロノスが管理しているOpenCL API公式拡張でサポートされるが、旧来のDirect3D 9との相互運用機能は、OpenCL 2.0時点でもベンダーごとの拡張機能依存となっている（cl_d3d9_ext.h）。

OpenCLでのhalf/double型のサポート状況は、CUDAなどのほかのAPIとよく似ており、サポートされるかどうかはハードウェアデバイス次第であるAccelerating GPU computation through mixed-precision methods。また、OpenGL/Direct3Dでは浮動小数点テクスチャすなわちデータストレージのフォーマットとしてFP32形式のほかにFP16形式を選択できるが、通例GPUが得意とする演算精度は単精度であるため、シェーダープログラム中で利用できる演算精度は一般的には単精度となり、倍精度や半精度はオプション扱いとなる科学技術計算などのGPGPU用途を重視したGPUでは、ハーフレートの倍精度をサポートするものもある。モバイル用GPUや、機械学習向け機能を強化したGPUでは半精度をサポートするものもある。。

OpenCLのイメージオブジェクトをサポートするデバイス (CL_DEVICE_IMAGE_SUPPORT) では、バイリニアフィルタリングなどの高速なハードウェア機能を利用することもできるsampler_t | OpenCL 1.0 Reference Pages。

以下にOpenGL関連の拡張を列挙する。

cl_apple_gl_sharing, cl_khr_gl_sharing: OpenCL 1.0の拡張gl_sharing | OpenCL 1.0 Reference Pages。 cl_khr_gl_event: OpenCL 1.2の拡張cl_khr_gl_event | OpenCL 1.2 Reference Pages。 cl_khr_egl_image, cl_khr_gl_msaa_sharing: OpenCL 2.0の拡張cl_khr_egl_image | OpenCL 2.0 Reference Pagescl_khr_gl_msaa_sharing | OpenCL 2.0 Reference Pages。

プラットフォームとデバイス OpenCL実行環境であるオペレーティングシステム上には、Installable Client Driver (ICD) Loaderという仕組みにより、複数のベンダーによるOpenCL実装を混在させることができる（cl_khr_icd）OpenCL Installable Client Driver (ICD) Loader - khronos.org news。各ベンダーのOpenCL実装は「プラットフォーム」として抽象化され、OpenCL APIを通じて列挙・選択することができる。

またOpenCLはカーネルコードの実行ハードウェアを「デバイス」として抽象化する。各OpenCLプラットフォームは複数のOpenCLデバイスを持つことができ、OpenCL APIを通じて列挙・選択できる。

プログラミングモデル OpenCLのプログラム（アプリケーションソフトウェア）は、GLSLを利用したOpenGLプログラムとほぼ同じ要領で開発することができ、OpenCL C/C++を利用したデバイスコード（カーネルコード）と、OpenCL APIを利用したホストコードを別々に記述するOpenCL Overview - The Khronos Group Inc。カーネルコードのコンパイルは、clCreateProgramWithSource()関数経由でデバイスドライバーが実行する。CUDAプログラムのような専用オフラインコンパイラ（nvcc）を必要としないため、様々なプラットフォームへの展開が容易となることが利点である。ただしカーネルコードの初回の実行時コンパイル（オンラインコンパイル）に時間がかかるなどのデメリットも存在する。この点に関しては、実運用時にはclCreateProgramWithSource()関数によるオンラインコンパイルは行なわず、clGetProgramInfo()関数とclCreateProgramWithBinary()関数を用いてコンパイル済みバイナリからプログラムオブジェクトを生成する方法もあるclGetProgramInfoclCreateProgramWithBinaryOpenCL meets FPGA #1 入門編 - QiitaKnowledge Base - AMDが、ベンダーごとのOpenCLバイナリ間における互換性は保証されない。デバイスドライバーにカーネル記述言語のオンラインコンパイラの役割を持たせることで、ベンダー独自の拡張を実装しやすくなるが、コンパイラ品質はデバイスドライバーの品質に左右される。

なお、OpenCL 1.2、2.0、2.1、2.2では、およびSPIR-Vと呼ばれる中間表現をサポートすることにより、事前コンパイルしたベンダーに依存しないカーネルコードを実行することができるようになるクロノス・グループ、SPIR 2.0の暫定仕様を公開 - 日刊工業新聞 Business Line - 企業発表。ただし、SPIR 1.2およびSPIR 2.0はOpenCL 1.2およびOpenCL 2.0の拡張機能（cl_khr_spircl_khr_spir）となっており、サポート必須の機能ではない。一方、SPIR-VはOpenCL 2.1/2.2のコア機能となるSPIR - The first open standard intermediate language for parallel compute and graphics。OpenCL 2.1ではSPIR-V 1.0を、OpenCL 2.2ではSPIR-V 1.0/1.1/1.2をサポートするが、OpenCL 3.0ではSPIR-Vはコア機能から外れ、サポート状況に関しては実行時の問い合わせが必要となったThe OpenCL™ SPIR-V Environment Specification。

歴史 2008年6月10日（日本時間）のWorldwide Developers Conference (WWDC 2008) において、Mac OS X Snow Leopard（v10.5 Leopardの次期メジャーバージョンとされる）に搭載される予定の技術の1つとして初めて発表されたアップル、Mac OS X Snow Leopardをデベロッパにプレビュー、2008年6月10日。

標準化団体クロノス・グループの2008年6月16日に発足した作業部会において、AppleによってOpenCLの仕様草案が提案されたKhronos Launches Heterogeneous Computing Initiative、2008年6月16日。CWGはGPUとCPUのヘテロジニアス（異種混在）な計算技術のロイヤリティフリーな標準化を目的としており、発足時点では3Dlabs、AMD、Apple、ARM、Codeplay、エリクソン、フリースケール・セミコンダクタ、Graphic Remedy、IBM、、インテル、ノキア、NVIDIA、モトローラ、QNX、クアルコム、サムスン、Seaweed、テキサス・インスツルメンツ、スウェーデン・ウメオ大学が参加している。

2008年8月のSIGGRAPH 2008および同年11月の (SC08) において、仕様策定の進捗状況が発表され、同時期には名称をと改められ、新たにアクティビジョン・ブリザード、バルコ、ブロードコム、エレクトロニック・アーツ、エイチアイ、ケストレル研究所、Movidia、、TAKUMIが参加している。11月10日にはRapidMindが自社の並列コンピューティング開発環境においてOpenCLを採用すると発表したRapidMind Embraces Open Source and Standards Projects to Increase Focus on Simplifying Parallel Programming for Application Developers、2008年11月10日。

2008年12月9日のSIGGRAPH Asia 2008において、正式版となるOpenCL 1.0の仕様が発表されたThe Khronos Group Releases OpenCL 1.0 Specification。またほぼ同時期に、AMDとNVIDIAはそれぞれ自社のGPGPU技術であるATI StreamおよびCUDAにおいてOpenCL 1.0をサポートすると発表したAMD Adopts OpenCL™ 1.0 Specification Ratified Today by The Khronos™ Group, Reaffirms Commitment to Open Standards for CPU+GPU Compute、2008年12月8日NVIDIA Adds OpenCL To Its Industry Leading GPU Computing Toolkit、2008年12月9日。OpenCL 1.0対応の最初のプラットフォームとして、Mac OS X Snow Leopardが2009年8月28日にリリースされた。

2010年6月14日、OpenCL 1.1を正式発表Khronos Drives Momentum of Parallel Computing Standard with Release of OpenCL 1.1 Specification - Khronos Group Press Release。float3型の追加、clSetKernelArg()関数以外のスレッドセーフ化clSetKernelArgなど。

2011年11月15日、OpenCL 1.2を正式発表Khronos Releases OpenCL 1.2 Specification - Khronos Group Press Release。分割コンパイル＆リンク対応、SubDeviceの追加、SPIR 1.2拡張機能、3Dイメージの書き込み拡張機能write_image (3D)など。

2013年7月22日、OpenCL 2.0を正式発表Khronos Releases OpenCL 2.0 - Khronos Group Press Release。read_write修飾子Access Qualifiers: read_writeはCUDA SurfaceやDirectCompute RWTextureといったDirectX 11世代の機能に相当する。、共有仮想メモリ (Shared Virtual Memory) や動的並列処理 (Dynamic Parallelism) 対応など。

2015年11月16日、OpenCL 2.1を正式発表Khronos Releases OpenCL 2.1 and SPIR-V 1.0 Specifications for Heterogeneous Parallel Programming - Khronos Group Press Release。SPIR-V中間言語によるVulkan API (OpenGL Next Generation, glNext) とのプログラミング基盤共通化など。2015年3月3日の暫定仕様の発表時点でカーネル記述言語へのC++14サブセット導入も予定されていたKhronos Releases OpenCL 2.1 Provisional Specification for Public Review - Khronos Group Press Releaseが、OpenCL 2.1正式仕様の発表とともに、OpenCL C++のリリースは早くて2016年半ばとアナウンスされた。

2017年5月16日、OpenCL 2.2を正式発表Khronos Releases OpenCL 2.2 With SPIR-V 1.2 - Khronos Group Press Release。2016年4月18日の暫定仕様の発表時点でアナウンスされていた、OpenCL C++言語、SYCL 2.2フレームワークKhronos Releases OpenCL 2.2 Provisional Specification with OpenCL C++ Kernel Language - Khronos Group Press Releaseに加えて、中間表現SPIR-V 1.2などが導入された。

2018年6月、AppleはWWDCで、macOS Mojave以降ではOpenCLを非推奨とすることを発表し、代替としてMetalを使うことを推奨している。

2020年4月27日、OpenCL 3.0暫定仕様が公開されたKhronos Group Releases OpenCL 3.0。OpenCLロードマップの再調整に伴い、バージョン1.2より後発の機能がオプションに引き下げられる。オプションの言語機能を照会するためのマクロが提供される予定。

2020年9月30日、OpenCL 3.0最終仕様が公開されたOpenCL 3.0 Specification Finalized and Initial Khronos Open Source OpenCL SDK Released。

SYCL

SYCLはKhronos Groupが策定している、標準C++を使って「単一ソース」でヘテロジニアスプロセッサ向けのコードを記述することを可能にする抽象化レイヤーであるSYCL Overview - The Khronos Group IncThe Khronos Group Releases Finalized SYCL 1.2.1 - The Khronos Group Inc。従来はOpenCL C/C++により記述したカーネル（デバイスコード）のコンパイルやロードを、OpenCL APIを使って実行するための処理をホストコード側に逐一記述する必要があったが、SYCLを利用することで、単一の言語を使って同一ソース内に記述できるようになる。コンセプトとしては、CUDA C++やC++ AMPに似ている。SYCLの拡張としてIntelのData Parallel C++ (DPC++) も存在する。

SYCL 2020より前はOpenCL仕様の上に構築されており、GPUバックエンドもOpenCLのみを前提としていたSYCL Overview - SYCL 2020 is Here! Khronos Group 2020年。SYCL 2020以降はOpenCLを介さないバックエンドも考慮されるようになったKhronos Steps Towards Widespread Deployment of SYCL with Release of SYCL 2020 Provisional Specification Khronos Group 2020年6月30日。

SYCLの実装には以下が存在する: Intel oneAPI DPC++ CompilerIntel、新プログラミング言語「Data Parallel C++」β版公開マイナビ 2019年11月21日 Data Parallel C++: Programming Accelerated Systems Using C++ and SYCL, Springer, OpenAccess (2023年) オープンソース。LLVMの派生でありIntel's Initial Open-Source, LLVM-Based SYCL Compiler Is Now Available Phoronix 2019年1月28日上流にマージ予定となっているIntel Continues Working On Their SYCL Compiler For Upstreaming To LLVM Phoronix 2019年4月29日。バックエンドはCPUおよびOpenCL+SPIR-V。またCodeplayによりCUDA+PTXバックエンドも追加されたCodeplay Brings SYCL, Intel DPC++ To NVIDIA GPUs Phoronix 2020年2月3日。 hipSYCLhipSYCL Gets New Compilation Toolchain For Taking SYCL Directly To CUDA & ROCm Phoronix 2019年5月14日オープンソース。バックエンドにはOpenMP (CPU向け)、HIP/ROCm (AMD GPU向け)、CUDA (NVIDIA GPU向け) がある。またIntel GPUに向けてSYCLバックエンドも追加予定となっているhipSYCL Sees Work-In-Progress Support For Intel oneAPI Level Zero Backend Phoronix 2021年3月5日。 ComputeCpp ()Codeplay Outs SYCL-Based ComputeCpp 1.0, Running Parallel C++ Code On Multiple Platforms Phoronix 2018年8月23日プロプライエタリ。

またXilinxの管理するtriSYCLも存在したKhronos Group SYCL standard - triSYCL Open Source Implementation P.17 Xilinx 2016年が不完全なため非推奨となっておりUpdate project status in README triSYCL project 2020年7月3日、代わりにIntelのLLVM実装に基づいたXilinxバックエンド実装triSYCL/sycl: Experimental fusion of triSYCL with Intel SYCL upstreaming effort into Clang/LLVMが開発されている。その他、オープンソースの簡易実装のsycl-gtxもあった。

OpenCL

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