Näytönohjain CPU:n laskennan suorittajana

Abstract

Näytönohjaimia käytetään perinteisesti 2D- tai 3D-grafiikan piirtämiseen, mutta nykyisin näytönohjaimilla voidaan suorittaa grafiikan piirron lisäksi muutakin laskentaa. Tätä näytönohjaimen laskentakapasiteetin hyödyntämistä kutsutaan GPGPU-tekniikaksi ja sitä voidaan käyttää mm. OpenCL-ohjelmointirajapinnan avulla. Näytönohjaimet ovat keskusprosessoreihin verrattuna hyvin tehokkaita rinnakkaislaskennassa. GPGPUtekniikkaa on hyödynnetty piirtämisen apuvälineenä esim. peleissä piirrettävien kohteiden tietoja päivittämiseen näytönohjaimessa. Työn tavoitteena oli selvittää näytönohjaimen hyödyntämistä keskusprosessorin rinnalla tietokonepelien yhteydessä. Opinnäytetyössä luotiin pelimoottorin pohja, jonka avulla luotiin vokselipohjainen simulaatio. Simulaatio toteutettiin OpenCL-ohjelmointirajapinnan avulla näytönohjaimelle sopivaksi suunniteltuna. Lisäksi verrattiin näytönohjaimesta saatuja tuloksia keskusprosessorilla suoritettavaan vastaavan toteutukseen. Opinnäytetyöllä ei ollut toimeksiantajaa vaan kyseessä oli henkilökohtainen tutkimusprojekti GPGPU-tekniikan hyödyntämisestä. Toteutus kirjoitettiin C++-kielellä Ubuntu Linux -käyttöjärjestelmäympäristössä. Toteutuksessa hyödynnettiin myös keskusprosessorin monisäietukea. Simulaation avulla ei onnistuttu keräämään suoritukseen liittyviä tuloksia, joten toteutus jäi siltä osin vajaaksi. Tiedonsiirroista saadut tulokset rajoittuivat vain yhteen näytönohjaimeen, mutta siitä saadut tiedot toimivat kohtuullisen hyvin suunnan antajina näytönohjaimen hyödyntämisessä. Opinnäytetyön tulokset osoittavat, että tiedonsiirto näytönohjaimelle on hidasta näytönohjaimen tarjoamaan muistimäärään nähden. Tulosten avulla pääteltiin, että painopisteenä tulisi olla GPGPU-tekniikan hyödyntäminen näytönohjaimessa jo olevalle datalle ja tiedonsiirtojen minimointi näytönohjaimen ja tietokoneen keskusmuistin välillä. Suurien datakokoelmien käsittely näytönohjaimella kestäisi liian kauan, mikäli tulokset tulisi siirtää pois näytönohjaimelta käsittelyn jälkeen. Nämä tiedonsiirrot laskisivat kuvanpiirtämisten määrän alle 30 kuvanpiirtoon sekunnissa, jota ei voida hyväksyä monissa nykyajan peleissä

Graphics processing units are normally used for drawing 2D- or 3D-graphics; however, nowadays graphics processing units can be utilized for different kinds of computing besides graphics rendering. This type of graphics processing unit computing is referred to as GPGPU and it can be implemented with the usage of APIs like OpenCL. Graphics processing units are more efficient compared to central processing units when it comes to parallelized computing. GPGPU has been utilized in conjunction with rendering in games where the statuses of drawn entities are updated through the usage of GPGPU. The main goal of the thesis was to study utilizing GPGPU alongside the central processing unit in video games. For thesis purposes a simple game engine was build which was used to create voxel based simulation. The simulation was adapted for it to be run on graphics processing units with the OpenCL API. The performance results received from the usage of GPGPU were to be compared to the results received from central processing unit which could also run the simulation. The thesis did not have an assigner(s) and was a personal research project on utilizing GPGPU. Implementation was done with the C++ language and the operating system used was Ubuntu Linux. Central processing unit's multithreading capabilities were utilized during the development. Results could not be measured through the simulation which left parts of the goals of the thesis unobtained. Results received from data transfers were limited for single graphics processing unit; however, the results gained from it could be used as guidelines when using GPGPU. The results showed that data transfers are slow compared to the memory size offered by the graphics processing unit. Through the results it was deduced that when using GPGPU the implementations should focus using the data residing within the graphics processing unit and minimize data transfers between central processing unit and graphics processing unit.