GPGPU - PROSESSORIN KORVAAMINEN NÄYTÖNOHJAIMELLA YLEISHYÖDYLLISISSÄ OHJELMISSA

Abstract

Opinnäytetyön tarkoituksena on tutustua GPGPU-tekniikkaan, jolla näytönohjaimia voidaan hyödyntää yleishyödyllisessä laskennassa ja näin siirtää laskentaa pois pelkästään prosessorin harteilta. Tekniikka on osoittanut potentiaalinsa viimeisen parin vuoden aikana, kun markkinoille on julkaistu näytönohjaimia, joiden grafiikkapiirit rakentuvat lukuisista pienistä suorittimista. Nämä pienet suorittimet ovat vahvoilla varsinkin rinnakkais- ja vektorilaskennassa.

Työn alussa tutkitaan näytönohjainten historiaa, nykyistä markkinatilannetta eri valmistajien ja toimitusmäärien valossa, nykynäytönohjaimen rakennetta sekä kahden johtavan erillisnäytönohjainvalmistajan grafiikkapiirien arkkitehtuuria. Seuraavaksi tutkinnan alla on GPGPU-tekniikka ja työssä tutkitaan, mitä erilaisia käyttökohteita tekniikalla on ja mitä etuja saavutetaan, kun laskentaa siirretään prosessorilta näytönohjaimelle.

Opinnäytetyössä tutkitaan myös tällä hetkellä markkinoilla olevia ohjelmointikirjastoja: CUDAa ja siihen perustuvaa PhysX:ää, OpenCL:ää, DirectComputea, ATI Streamia sekä Havok Physicsiä. Lopussa verrataan suorituskykyä ja tehonkulutusta, kun laskenta suoritetaan pelkästään prosessorilla ja kun laskentaa avustetaan näytönohjaimella.

GPGPU - replacing the CPU with a GPU in general-purpose computing. The purpose of the thesis was to become acquainted with the GPGPU technology which can be used with graphics cards in general-purpose computing, thus redeploying computing away from CPU alone. This technology has shown its potential during the last few years since modern graphics cards have been released to the market. Those graphics cards are based on numerous small-scale processors which have proven their strength particularly in parallel and vector processing.

The work begins with an examination of the history of graphics cards, present market situation between different manufacturers and shipments, structure of modern graphics cards and the architectures of graphics processing units of two leading manufacturers of discrete graphics cards. Next the GPGPU technology is reviewed and clarified what different applications it has and what the benefits are when computing is redeployed from the CPU to a GPU.

In the thesis different programming libraries available in the market are studied. These include CUDA, PhysX which is based on CUDA, OpenCL, DirectCompute, ATI Stream and Havok Physics. In the end performance and power consumption are compared when computing is powered by the CPU only and when it is supported by a graphics card.