SYCL

في مارس 2023، أعلنت مجموعة كرونوس عن إنشاء فريق عمل SYCL SC، ^{[ 28 ]} بهدف إنشاء إطار حوسبة غير متجانس عالي المستوى للأنظمة الحساسة للسلامة . وتشمل هذه الأنظمة مجالات متنوعة، بما في ذلك الطيران والسيارات والصناعة والقطاعات الطبية.

سيتوافق إطار عمل SYCL Safety Critical مع العديد من معايير الصناعة لضمان موثوقيته وسلامته. تشمل هذه المعايير MISRA C++ 202X، ^{[ 29 ]} الذي يوفر إرشادات لاستخدام لغة C++ في الأنظمة الحساسة، وRTCA DO-178C / EASA ED-12C، ^{[ 30 ]} وهما معياران لاعتبارات البرمجيات في أنظمة ومعدات الطيران، وISO 26262/21448، ^{[ 31 ]} الذي يتعلق بالسلامة الوظيفية للمركبات البرية، و IEC 61508 الذي يغطي السلامة الوظيفية للأنظمة الكهربائية/الإلكترونية/الإلكترونية القابلة للبرمجة المتعلقة بالسلامة، و IEC 62304 الذي يتعلق بمتطلبات دورة حياة برمجيات الأجهزة الطبية. ^{[ 28 ]}

بالمقارنة، فإن نسخة لغة CUDA المضمنة والمكتوبة بلغة C++ أحادية المصدر ، والتي تُسمى " واجهة برمجة تطبيقات وقت تشغيل CUDA "، تُشبه إلى حد ما لغة SYCL. في الواقع، أصدرت شركة إنتل أداة تُسمى SYCLOMATIC تُترجم تلقائيًا الشفرة من CUDA إلى SYCL. ^{[ 43 ]} مع ذلك، توجد نسخة أخرى أقل شهرة من CUDA، تُسمى "واجهة برمجة تطبيقات برنامج تشغيل CUDA"، وهي تُشبه OpenCL، وتُستخدم، على سبيل المثال، من قِبل تطبيق واجهة برمجة تطبيقات وقت تشغيل CUDA نفسه. ^{[ 40 ]}

تُوسّع SYCL ميزات C++ AMP ، مما يُعفي المبرمج من نقل البيانات صراحةً بين المضيف والأجهزة باستخدام المخازن المؤقتة ودوال الوصول. وهذا على عكس CUDA (قبل إدخال الذاكرة الموحدة في CUDA 6)، حيث كان نقل البيانات الصريح مطلوبًا. بدءًا من SYCL 2020، أصبح من الممكن أيضًا استخدام الذاكرة المشتركة الموحدة (USM) لتعزيز واجهات المخازن المؤقتة، بدلاً من استبدالها، ^{[ 44 ]} مما يوفر نموذج برمجة منخفض المستوى مشابهًا للذاكرة الموحدة في CUDA. ^{[ 45 ]}

تُعتبر SYCL لغة برمجة ذات مستوى أعلى من C++ AMP وCUDA، إذ لا تتطلب إنشاء مخطط تبعية صريح بين جميع النوى، كما أنها توفر جدولة غير متزامنة تلقائية للنوى مع تداخل في الاتصال والحساب. ويتم كل ذلك باستخدام مفهوم الوصول دون الحاجة إلى أي دعم من المُصرّف. ^{[ 46 ]}

على عكس لغتي C++ AMP و CUDA، فإن SYCL هي لغة برمجة خاصة بالمجال (eDSL) مكتوبة بلغة C++ خالصة دون أي امتدادات C++. وهذا يسمح بتنفيذ أساسي لوحدة المعالجة المركزية يعتمد على وقت التشغيل فقط دون الحاجة إلى مُصرّف مُحدد. ^{[ 42 ]}

يُوفّر كلٌّ من مُجمّعي DPC++ ^{[ 47 ]} وAdaptiveCpp ^{[ 48 ]} واجهةً خلفيةً لوحدات معالجة الرسومات من NVIDIA، على غرار ما يفعله CUDA. يسمح هذا بتجميع وتشغيل كود SYCL على أجهزة NVIDIA، مما يُمكّن المُطوّرين من الاستفادة من تجريدات SYCL عالية المستوى على وحدات معالجة الرسومات المُتوافقة مع CUDA. ^{[ 47 ] [ 48 ]}

تُقدّم شركة إنتل أداة مجانية تُسمى "أداة توافق DPC++" (dpct) لتحويل قواعد بيانات أكواد CUDA C++ تلقائيًا إلى SYCL C++. وهناك نسخة مفتوحة المصدر من هذه الأداة تُسمى SYCLomatic. ^{[ 49 ]}

تستهدف ROCm HIP وحدات معالجة الرسومات من Nvidia و AMD ، بالإضافة إلى وحدات المعالجة المركزية x86. تُعدّ HIP واجهة برمجة تطبيقات منخفضة المستوى تُشبه إلى حد كبير واجهات برمجة تطبيقات CUDA. ^{[ 50 ]} على سبيل المثال، أصدرت AMD أداة تُسمى HIPIFY تُترجم تلقائيًا كود CUDA إلى HIP. ^{[ 51 ]} لذلك، تنطبق العديد من النقاط المذكورة في المقارنة بين CUDA و SYCL أيضًا على المقارنة بين HIP و SYCL. ^{[ 52 ]}

تتشابه ROCm HIP مع SYCL في بعض الجوانب، إذ يمكنها استهداف مُصنّعين مختلفين (AMD وNvidia) وأنواع مُسرّعات مُتعددة (وحدات معالجة الرسومات ووحدات المعالجة المركزية). ^{[ 53 ]} مع ذلك، تستطيع SYCL استهداف نطاق أوسع من المُسرّعات والمُصنّعين. تدعم SYCL أنواعًا مُتعددة من المُسرّعات في آنٍ واحد ضمن تطبيق واحد من خلال مفهوم الواجهات الخلفية. إضافةً إلى ذلك، كُتبت SYCL بلغة C++ خالصة، بينما تستخدم HIP، مثل CUDA، بعض امتدادات اللغة. تمنع هذه الامتدادات تجميع HIP باستخدام مُجمّع C++ قياسي. ^{[ 52 ]}

يُوفر كلٌ من مُجمّعي DPC++ ^{[ 47 ]} وAdaptiveCpp ^{[ 48 ]} واجهات خلفية لوحدات معالجة الرسومات من NVIDIA وAMD، على غرار ما يفعله HIP. يُمكّن هذا من تجميع وتنفيذ كود SYCL على أجهزة من هذه الشركات، مما يُتيح للمطورين مرونة الاستفادة من تجريدات SYCL عالية المستوى عبر مجموعة متنوعة من الأجهزة والمنصات. ^{[ 48 ] [ 47 ]}

تتشابه لغة SYCL مع نموذج برمجة Kokkos في العديد من الجوانب، ^{[ 54 ]} بما في ذلك استخدام كائنات المصفوفات متعددة الأبعاد غير الشفافة (مخازن SYCL ومصفوفات Kokkos)، والنطاقات متعددة الأبعاد للتنفيذ المتوازي، وعمليات الاختزال (المضافة في SYCL 2020). ^{[ 55 ]} وقد أُضيفت العديد من الميزات في SYCL 2020 استجابةً لملاحظات مجتمع Kokkos.

يركز SYCL بشكل أكبر على الأنظمة غير المتجانسة؛ وبفضل تكامله مع OpenCL، يمكن اعتماده على نطاق واسع من الأجهزة. أما Kokkos، من ناحية أخرى، فيستهدف معظم منصات الحوسبة عالية الأداء، ^{[ 56 ]} وبالتالي فهو أكثر توجهاً نحو الحوسبة عالية الأداء من حيث الأداء.

اعتبارًا من عام 2024، يعمل فريق Kokkos على تطوير واجهة خلفية SYCL، ^{[ 57 ]} مما يُمكّن Kokkos من استهداف أجهزة Intel بالإضافة إلى المنصات التي يدعمها حاليًا. يُوسّع هذا التطوير نطاق تطبيق Kokkos ويُتيح مرونة أكبر في الاستفادة من بنى الأجهزة المختلفة ضمن تطبيقات الحوسبة عالية الأداء. ^{[ 54 ]}

Raja ^{[ 58 ] [ 59 ]} هي مكتبة من تجريدات برامج C++ لتمكين قابلية نقل بنية وبرمجة تطبيقات الحوسبة عالية الأداء.

على غرار SYCL، يوفر Raja شفرة قابلة للنقل عبر منصات متنوعة. مع ذلك، وعلى عكس SYCL، يُضيف Raja طبقة تجريدية فوق نماذج البرمجة الأخرى مثل CUDA وHIP وOpenMP وغيرها. يُمكّن هذا المطورين من كتابة شفرتهم مرة واحدة وتشغيلها على أنظمة خلفية مختلفة دون تعديل المنطق الأساسي. يُدار Raja ويُطوّر في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL)، بينما SYCL معيار مفتوح يُدار من قِبل المجتمع. ^{[ 41 ]}

على غرار Kokkos، يُعدّ Raja أكثر ملاءمةً لحالات استخدام الحوسبة عالية الأداء، حيث يركز على الأداء وقابلية التوسع في بيئات الحوسبة عالية الأداء. في المقابل، يدعم SYCL نطاقًا أوسع من الأجهزة، مما يجعله أكثر تنوعًا لأنواع مختلفة من التطبيقات تتجاوز مجرد الحوسبة عالية الأداء. ^{[ 59 ]}

اعتبارًا من عام 2024، يعمل فريق Raja على تطوير واجهة خلفية SYCL، ^{[ 60 ]} مما سيمكن Raja من استهداف أجهزة Intel أيضًا. سيعزز هذا التطوير قابلية Raja للتنقل ومرونتها، مما يسمح لها بالاستفادة من إمكانيات SYCL وتوسيع نطاق تطبيقها ليشمل مجموعة أوسع من منصات الأجهزة. ^{[ 41 ]}

تستهدف OpenMP تفريغ العمليات الحسابية إلى معالجات خارجية، ^{[ 61 ]} مع التركيز بشكل أساسي على المعالجات متعددة النوى ووحدات معالجة الرسومات. أما SYCL، من ناحية أخرى، فهي موجهة نحو نطاق أوسع من الأجهزة نظرًا لتكاملها مع OpenCL، مما يتيح دعم أنواع مختلفة من معالجات الأجهزة. ^{[ 62 ]}

تستخدم OpenMP منهجًا قائمًا على التوجيهات البرمجية ، حيث يقوم المبرمج بتعليق الكود باستخدام التوجيهات، ويتولى المترجم معالجة تعقيدات التنفيذ المتوازي وإدارة الذاكرة. هذا التجريد عالي المستوى يُسهّل على المطورين موازاة تطبيقاتهم دون الحاجة إلى التعامل مع التفاصيل المعقدة لعمليات نقل الذاكرة والمزامنة. ^{[ 63 ]}

يدعم كل من OpenMP وSYCL لغة C++ وهما معياران. تم توحيد معيار OpenMP من قبل مجلس مراجعة بنية OpenMP (ARB)، بينما تم توحيد معيار SYCL من قبل مجموعة Khronos. ^{[ 41 ]}

يحظى OpenMP بدعم واسع من مختلف المترجمات، مثل GCC و Clang . ^{[ 64 ]}

تُعدّ std::par جزءًا من معيار C++17 ^{[ 65 ]} ، وهي مصممة لتسهيل التنفيذ المتوازي للخوارزميات القياسية على حاويات C++ القياسية. توفر هذه المكتبة طريقة قياسية للاستفادة من المُسرّعات الخارجية، إذ تسمح للمطورين بتحديد سياسة تنفيذ للعمليات المتوازية، مثل std::for_eachو std::transformو std::reduce. وهذا يُتيح استخدامًا فعالًا للمعالجات متعددة النوى وغيرها من الأجهزة المتوازية دون الحاجة إلى تغييرات جوهرية في الكود. ^{[ 66 ]}

يمكن استخدام SYCL كخادم خلفي std::par، مما يتيح تنفيذ الخوارزميات القياسية على نطاق واسع من المعالجات الخارجية، بما في ذلك وحدات معالجة الرسومات من Intel وAMD وNVIDIA، بالإضافة إلى أنواع أخرى من المعالجات. ^{[ 67 ]} من خلال الاستفادة من إمكانيات SYCL، يستطيع المطورون كتابة أكواد C++ قياسية تُنفذ بسلاسة على بيئات حوسبة غير متجانسة. يتيح هذا التكامل مرونة أكبر وتحسينًا للأداء عبر منصات الأجهزة المختلفة. ^{[ 67 ]}

يعتمد استخدام SYCL كخلفية std::parبرمجية على المُصرّف، أي أنه يتطلب مُصرّفًا يدعم كلاً من SYCL وسياسات التنفيذ المتوازي المُقدمة في C++17. ^{[ 67 ]} ومن أمثلة هذه المُصرّفات DPC++ وغيرها من المُصرّفات المتوافقة مع SYCL. باستخدام هذه المُصرّفات، يُمكن للمطورين الاستفادة من تجريدات SYCL لإدارة الذاكرة والتنفيذ المتوازي مع الاستمرار في استخدام خوارزميات وسياسات التنفيذ القياسية المألوفة في C++. ^{[ 47 ]}