Представление данных для графического процессора

Центральные процессоры персональных компьютеров в большинстве случаев обрабатывают данные последовательно. Поэтому естественно то, что данные в оперативной памяти компьютера представлены в форме одномерных массивов: адрес каждой ячейки памяти представляется одним шестнадцатеричным числом, а последовательным ячейкам памяти соответствуют последовательные адреса. Даже если объектами моделирования являются многомерные структуры данных, такие как матрицы:

,

фактически их элементы всё равно хранятся и обрабатываются как одномерные последовательности:

.

В отличие от CPU, графические процессоры изначально предназначены для параллельной обработки данных, поэтому для них естественно обращаться к памяти, где данные хранятся в форме двумерных массивов и адресуются двумя координатами. Именно так устроена видеопамять, размещаемая на видеокартах (рис. 5.2). Данные в видеопамять записывает центральный процессор, с помощью драйвера видеокарты, который копирует эти данные из оперативной памяти компьютера. Для представления данных в необходимой для копирования форме можно применять стандартные процедуры библиотек DirectX и OpenGL.

Ещё одно отличие графических процессоров от CPU состоит в том, что при их программировании для адресации элементов массивов (т.е., в качестве номеров элементов) используются не целые числа, а числа с плавающей точкой, которые при обработке графики напрямую задавали бы координаты закрашиваемых областей на экране (рис. 5.2).

Перед началом исполнения шейдера в ячейки видеопамяти (рис. 5.2) долж­ны быть записаны исходные данные (здесь – элементы матриц). Затем с помощью драйвера видеокарты центральный процессор запускает расчёт. В ходе расчёта графический процессор последовательно извлекает эти данные из видеопамяти и применяет ко всем элементам один и тот же набор операций, заданный программой (например, рассчитывает сумму c _ij = a _ij+ b _ij). Результаты расчёта (в примере - значения c _ij) GPU записывает в область видеопамяти, называемую рендер-целью.

Как уже отмечено выше, исходные данные хранятся в виде двумерных массивов, и рендер-цель тоже представляет собой двумерный массив тех же размеров. В рассматриваемом примере с матрицами содержимым ячеек этих массивов являются скалярные числа. Существует также возможность хранить в этих ячейках 4-векторы, которые могут содержать, например, координаты частиц. Последняя возможность была реализована нами в молекулярной динамике (см. следующий пример).

Ячейки массивов с исходными данными и рендер-цели адресуются не целыми числами, а парами чисел с плавающей точкой, задающими координаты центров ячеек (как если бы ячейки являлись участками изображения на экране, а записанные в них данные – характеристиками этих участков). Координаты левых нижних углов ячеек лежат в диапазоне от 0 до 1, а координаты центров таковы, как это показано на рис. 5.2.

Применительно к графическим процессорам используется следующая терминология. Двумерные массивы, в которых хранятся входные данные, называют текстурами, а элементы этих массивов – текселями. Координаты текселей, указывающие на центры ячеек, называют текстурными координатами. Количество текселей равно количеству элементов во входных массивах. Рендер-цель также представляет собой текстуру, количество текселей в которой равно количеству элементов в выходном массиве.

Рис. 5.2. Области координат, которыми адресуются числа, обрабатываемые графическим процессором

Результаты своей работы графический процессор по умолчанию выводит на экран, а точнее - в область памяти, называемую буфером кадра (framebuffer). Тем не менее, вычисления, не отображаемые на экране, также возможны, поскольку существует возможность сохранять результаты в заранее выделенную область памяти, которая как раз и называется рендер-целью (Render Target). Все современные GPU способны выводить данные сразу в несколько рендер-целей (Multiple Render Targets).