CUDA Fortran 使用介绍与资源

CUDA Fortran 使用介绍与资源

CUDA Fortran 简介

CUDA Fortran 是 NVIDIA 与 PGI (现为 NVIDIA 所有) 合作开发的 Fortran 语言扩展，允许 Fortran 程序员直接使用 NVIDIA GPU 的并行计算能力。它是 CUDA 平台的 Fortran 实现，类似于 CUDA C。

基本使用

环境要求

• PGI 编译器 (现为 NVIDIA HPC SDK 的一部分)
• 支持 CUDA 的 NVIDIA GPU
• NVIDIA CUDA 工具包

基本语法元素

1. 属性声明：使用 attributes 关键字指定变量或过程在 GPU 上的行为

   attributes(global) subroutine kernel()
   attributes(device) :: var
   

2. 内核调用：使用 <<<...>>> 语法启动内核

   call kernel<<>>(args)
   

3. 内存管理：使用 cudaMalloc, cudaFree, cudaMemcpy 等函数

简单示例

向量加法示例

module vecadd
contains
  attributes(global) subroutine add(a, b, c, n)
    real :: a(n), b(n), c(n)
    integer, value :: n
    integer :: i
    
    i = (blockIdx%x-1)*blockDim%x + threadIdx%x
    if (i <= n) then
      c(i) = a(i) + b(i)
    endif
  end subroutine add
end module vecadd

program main
  use cudafor
  use vecadd
  implicit none
  
  integer, parameter :: n = 10000
  real :: a(n), b(n), c(n)
  real, device :: a_d(n), b_d(n), c_d(n)
  type(dim3) :: grid, block
  
  ! 初始化数据
  a = 1.0; b = 2.0
  
  ! 分配设备内存并拷贝数据
  a_d = a
  b_d = b
  
  ! 设置执行配置
  block = dim3(256,1,1)
  grid = dim3(ceiling(real(n)/block%x),1,1)
  
  ! 调用内核
  call add<<>>(a_d, b_d, c_d, n)
  
  ! 将结果拷贝回主机
  c = c_d
  
  ! 验证结果
  if (all(c == 3.0)) then
    print *, "Test passed!"
  else
    print *, "Test failed!"
  endif
end program main

开源资源

1. 官方文档与示例

• NVIDIA HPC SDK 文档
• CUDA Fortran Programming Guide
• NVIDIA 官方 GitHub 示例

2. 开源项目

• OpenMM - 分子动力学模拟，部分使用 CUDA Fortran
• GAMER - 天体物理模拟代码
• CUF kernels - CUDA Fortran 内核集合

3. 学习资源

• FortranCUDA Wiki - CUDA Fortran 学习资源集合
• CUDA Fortran by Example - 示例驱动的教程
• PGI CUDA Fortran Compiler (历史资源)

4. 代码库

• Fortran-Lang CUDA Examples
• ECRC CUDA Fortran Examples

开发工具

1. 编译器: NVIDIA HPC SDK (包含 PGI 编译器)
2. 调试工具:
   • cuda-gdb (支持 CUDA Fortran)
   • cuda-memcheck
3. 性能分析: NVIDIA Nsight Systems, NVIDIA Nsight Compute

注意事项

1. CUDA Fortran 语法与 CUDA C 有所不同，需注意区别
2. 内存管理是显式的，需要手动在主机和设备间传输数据
3. 内核函数有特定限制(如不能递归、不能有可分配数组等)
4. 最新发展建议关注 NVIDIA HPC SDK 的更新

希望这些资源能帮助你开始 CUDA Fortran 编程！如需更具体的示例或帮助，可以参考上述开源项目或文档。