GPGPU: OpenCL, CUDA e Shaders

1. GPGPU: OpenCL, CUDA e Shaders Introdução à Multimídia – CIn - UFPE

2. Equipe • Aline Éllida D’Oleron Vasconcelos • Ângelo Lima Mazer • Luiz Gustavo da Rocha Charamba • Márcio Ricardo Alves Gadelha de Araújo • Sílvio Gustavo de Oliveira Santos • Graduação em Engenharia da Computação

3. Roteiro • Aline: • O que é GPGPU(Introdução) • GPU(Visão geral) • História e Evolução • Macro arquitetura • Frameworks(CUDA, OpenCL, Shaders) • Sílvio: • Shaders • Charamba: • Cuda • Márcio: • OpenCL • Ângelo: • Relacionar aplicações com RV e RA • Aplicações • Tendências Futuras • Conclusão

4. GPGPU • O que é GPGPU ? • Uma Visão geral sobre GPU • História e Evolução • Evolução do processamento das GPUs • Funcionamento das GPUs • Linguagens

5. O que é GPGPU? General Purpose Graphics Processing Unit (Unidade de Processamento Gráfico para Propósito Geral) Alta velocidade GPGPU é uma técnica de usar uma GPU, que normalmente lida apenas com computação gráfica, para realizar computação em aplicações tradicionalmente tratadas pela CPU.

6. Uma visão geral sobre GPU Reduzir a carga geral da CPU Maior velocidade Imagens com maior qualidade. Efetuar complexos cálculos matemáticos e geométricos Capacidade de processar vetores e matrizes com facilidade.

7. História e Evolução • Antes da criação das GPUs, as aplicações gráficas (em especial os jogos) eram baseados apenas em polígonos ou seja, na geometria da cena.

8. EverQuest História e Evolução Placas Aceleradoras • 1995: Primeira placa gráfica comercial: • 3dxf voodoo • Mapeamento de texturas geométricas • 1999: Placas aceleradoras 3D GeForce 256 (NVidia) • Criação do conceito de pipeline gráfico • Transformação dos vértices dos polígonos e pela iluminação dos mesmos.

9. EverQuest Warcraft EverQuest 1999  Warcraft 1994

10. História e Evolução • 2001: placas gráficas programáveis • GeForce 3, GeForce 4 e Radeon 8500. • A programação só era possível no processador de vértices. • Tinha diversas limitações quanto a sua funcionalidade. • Criado o conceito de texturas 3D.

11. Max Payne Max Payne 2001

12. História e Evolução • 2002: o processador de fragmentos também se tornou programável. • GeForce FX, Radeon 9600-9800 e Radeon X600-800 • Faziam computação muito mais eficiente e flexível do que a geração anterior.

13. Warcraft III 2001

14. História e Evolução • Atualmente: DirectX 10. • A NvidiaGeForce 8 e a ATI Radeon HD2900 implementaram uma nova arquitetura: • o estágio de vértices, o novo estágio de geometria e o estágio de fragmentos.

15. DirectX10 DirectX9

16. Evolução do processamento das GPUs Ilustrando o poder desta evolução temos que o número de operações de ponto flutuante destes processadores, quando comparados com os processadores de propósito geral do mercado, cresce mais rápido ao longo dos anos.

17. Evolução do processamento da s GPUs

18. Funcionamento das GPUs Pipeline gráfico

19. Funcionamento das GPUs • Modelo de Processamento (StreamProcessing) • pode processar uma maior variedade de dados e com maior paralelismo.

20. Linguagens CUDA : Arquitetura de computação paralela da NVIDIA que possibilita aumentos significativos na performance de computação pelo aproveitamento da potência da GPU.

21. Linguagens OpenCL: (Linguagem de Computação Aberta) é um novo ambiente computacional multiplataforma. Ela permite que os desenvolvedores aproveitem o grande poder da computação paralela das GPUs para criar poderosas aplicações de computação.

22. Shaders • O que são shaders? • Pipeline fixo • Pipeline programável • Linguagens • Exemplos

23. O que são shaders? São programas que rodam na GPU e que determinam como um objeto será renderizado.

24. O que são shaders? • Antes dos shaders, a GPU oferecia somente um conjunto de efeitos pré-programado de efeitos. • Efeitos de luz, perspectiva, textura... • Gráficos pouco realistas • A partir da criação dos shaders, foi possível criar efeitos que aumentam o realismo das cenas 3D • Suportado a partir do DirectX 8 e OpenGL 1.4

25. Pipeline Fixo • Somentealgunscomandosfixosdisponíveis via API • Transformações e Iluminação via API • Texturização via API • Bastante restrito

26. Pipeline Fixo

27. Pipeline Programável Código customizável escrito pelo programador e executado pela GPU. Necessário definir as transformações de cor e textura. Permite materias mais realistas (metais, pedra, madeira)

28. Pipeline Programável

29. Pipeline Programável As GPUs atuais permitem programar 3 tipos de shaders: Vertex shaders Geometry shaders Pixel shaders

30. Vertex Shader Programa que opera sobre os vértices e sobre os dados associados (cor, iluminação, textura). O programa é executado uma vez para cada vértice, sem informações sobre os demais vértices.

31. Vertex Shader • O processador de vértices executa o shader, que pode realizar as seguintes operações sobre os vértices: • Transformações de posição • Transformações de textura • Transformações de iluminação • Para cada vértice de entrada, gera um único vértice de saída.

32. Vertex Shader

33. Geometry Shader Programa que opera sobre as primitivas (pontos, linhas e triângulos). Permite que novos vértices sejam adicionados ou removidos, alterando o número de primitivas.

34. Geometry Shader Deste modo, é responsável pelo nível de detalhe do objeto. A partir de cada primitiva de entrada, gera uma ou mais primitivas de saída.

35. Geometry Shader

36. Pixel Shader Programa executado sobre todos os pixels que compõem uma primitiva. É executado uma vez para cada pixel que compõe a primitiva.

37. Pixel Shader • Alguns operações possíveis que o processador de pixels pode executar: • Determinar cores dos pixels • Coordenadas de textura • Iluminação e sombras • Não pode alterar posições dos pixels.

38. Pixel Shader

39. Linguagens • RenderMan Shading Language • Criada no final da década de 80 • Uma das primeiras linguagens para criação de shaders • Permitiu que parte do pipeline gráfico fosse substituído por pequenos programas (shaders) • Não é destinado a renderização em tempo real

40. Linguagens • HLSL – High Level Shading Language • Linguagem proprietária da Microsoft • Usada pra desenvolver com Direct3D • GLSL – OpenGL Shading Language • Usada para criar shaders em OpenGL • Multi-plataforma • Cg – C for Graphics • Dsenvolvida pela Nvidia em conjunto com a MS • Similar a HLSL

41. Shaders - Exemplos Jogos sem shaders Jogos com shaders

42. Shaders - Exemplos

43. Shaders - Exemplos Comparação de shaders http://www.youtube.com/watch?v=kRdl4C_6Ydw Vertex e Pixel shaders http://www.youtube.com/watch?v=lA4Z5Eutzp0 Vertex shaders http://www.youtube.com/watch?v=KkccB1OvQjs

44. CUDA • O que é CUDA? • Arquitetura CUDA • API CUDA • Usando CUDA • Aplicações com CUDA

45. O que é CUDA? • CUDA (Compute Unified Device Architecture ) • CUDA é um modelo de programação paralela e um ambiente de software projetado para desenvolver aplicações que utilizam de forma eficiente o número de cores disponíveis no sistema.Tudo isso de forma escalável e transparente. • Tecnologia NVIDIA.

46. Arquitetura CUDA • CUDA é composta de três abstrações principais.

47. Arquitetura CUDA • CUDA é composta de três abstrações principais. • Uma hierarquia de grupo de threads;

48. Arquitetura CUDA • CUDA é composta de três abstrações principais. • Uma hierarquia de grupo de threads; • Memórias compartilhadas;

49. Arquitetura CUDA • CUDA é composta de três abstrações principais. • Uma hierarquia de grupo de threads; • Memórias compartilhadas; • Sincronização via barreiras.

50. Arquitetura CUDA • CUDA é composta de três abstrações principais. • Uma hierarquia de grupo de threads; • Memórias compartilhadas; • Sincronização via barreiras. Estas abstrações possibilitam o paralelismo de dados e threads. O programador particiona o problema em subproblemas que podem ser solucionados independentemente em paralelo. Cada subproblema pode ser agendado para ser executado em qualquer um dos núcleos disponíveis, apenas o sistema de runtime precisa saber quantos núcleos estão disponíveis.