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[platform/upstream/llvm.git] / clang / docs / OpenCLSupport.rst
1 .. raw:: html
2
3   <style type="text/css">
4     .none { background-color: #FFCCCC }
5     .part { background-color: #FFFF99 }
6     .good { background-color: #CCFF99 }
7   </style>
8
9 .. role:: none
10 .. role:: part
11 .. role:: good
12
13 .. contents::
14    :local:
15
16 ==================
17 OpenCL Support
18 ==================
19
20 Clang has complete support of OpenCL C versions from 1.0 to 2.0.
21
22 Clang also supports :ref:`the C++ for OpenCL kernel language <cxx_for_opencl_impl>`.
23
24 There is an ongoing work to support :ref:`OpenCL 3.0 <opencl_300>`.
25
26 There are also other :ref:`new and experimental features <opencl_experimenal>` available.
27
28 For general issues and bugs with OpenCL in clang refer to `Bugzilla
29 <https://bugs.llvm.org/buglist.cgi?component=OpenCL&list_id=172679&product=clang&resolution=--->`__.
30
31 Internals Manual
32 ================
33
34 This section acts as internal documentation for OpenCL features design
35 as well as some important implementation aspects. It is primarily targeted
36 at the advanced users and the toolchain developers integrating frontend
37 functionality as a component.
38
39 OpenCL Metadata
40 ---------------
41
42 Clang uses metadata to provide additional OpenCL semantics in IR needed for
43 backends and OpenCL runtime.
44
45 Each kernel will have function metadata attached to it, specifying the arguments.
46 Kernel argument metadata is used to provide source level information for querying
47 at runtime, for example using the `clGetKernelArgInfo
48 <https://www.khronos.org/registry/OpenCL/specs/opencl-1.2.pdf#167>`_
49 call.
50
51 Note that ``-cl-kernel-arg-info`` enables more information about the original
52 kernel code to be added e.g. kernel parameter names will appear in the OpenCL
53 metadata along with other information.
54
55 The IDs used to encode the OpenCL's logical address spaces in the argument info
56 metadata follows the SPIR address space mapping as defined in the SPIR
57 specification `section 2.2
58 <https://www.khronos.org/registry/spir/specs/spir_spec-2.0.pdf#18>`_
59
60 OpenCL Specific Options
61 -----------------------
62
63 In addition to the options described in :doc:`UsersManual` there are the
64 following options specific to the OpenCL frontend.
65
66 All the options in this section are frontend-only and therefore if used
67 with regular clang driver they require frontend forwarding, e.g. ``-cc1``
68 or ``-Xclang``.
69
70 .. _opencl_cl_ext:
71
72 .. option:: -cl-ext
73
74 Disables support of OpenCL extensions. All OpenCL targets provide a list
75 of extensions that they support. Clang allows to amend this using the ``-cl-ext``
76 flag with a comma-separated list of extensions prefixed with ``'+'`` or ``'-'``.
77 The syntax: ``-cl-ext=<(['-'|'+']<extension>[,])+>``,  where extensions
78 can be either one of `the OpenCL published extensions
79 <https://www.khronos.org/registry/OpenCL>`_
80 or any vendor extension. Alternatively, ``'all'`` can be used to enable
81 or disable all known extensions.
82
83 Example disabling double support for the 64-bit SPIR target:
84
85    .. code-block:: console
86
87      $ clang -cc1 -triple spir64-unknown-unknown -cl-ext=-cl_khr_fp64 test.cl
88
89 Enabling all extensions except double support in R600 AMD GPU can be done using:
90
91    .. code-block:: console
92
93      $ clang -cc1 -triple r600-unknown-unknown -cl-ext=-all,+cl_khr_fp16 test.cl
94
95 .. _opencl_finclude_default_header:
96
97 .. option:: -finclude-default-header
98
99 Adds most of builtin types and function declarations during compilations. By
100 default the OpenCL headers are not loaded by the frontend and therefore certain
101 builtin types and most of builtin functions are not declared. To load them
102 automatically this flag can be passed to the frontend (see also :ref:`the
103 section on the OpenCL Header <opencl_header>`):
104
105    .. code-block:: console
106
107      $ clang -Xclang -finclude-default-header test.cl
108
109 Alternatively the internal header `opencl-c.h` containing the declarations
110 can be included manually using ``-include`` or ``-I`` followed by the path
111 to the header location. The header can be found in the clang source tree or
112 installation directory.
113
114    .. code-block:: console
115
116      $ clang -I<path to clang sources>/lib/Headers/opencl-c.h test.cl
117      $ clang -I<path to clang installation>/lib/clang/<llvm version>/include/opencl-c.h/opencl-c.h test.cl
118
119 In this example it is assumed that the kernel code contains
120 ``#include <opencl-c.h>`` just as a regular C include.
121
122 Because the header is very large and long to parse, PCH (:doc:`PCHInternals`)
123 and modules (:doc:`Modules`) can be used internally to improve the compilation
124 speed.
125
126 To enable modules for OpenCL:
127
128    .. code-block:: console
129
130      $ clang -target spir-unknown-unknown -c -emit-llvm -Xclang -finclude-default-header -fmodules -fimplicit-module-maps -fm     odules-cache-path=<path to the generated module> test.cl
131
132 Another way to circumvent long parsing latency for the OpenCL builtin
133 declarations is to use mechanism enabled by :ref:`-fdeclare-opencl-builtins
134 <opencl_fdeclare_opencl_builtins>` flag that is available as an alternative
135 feature.
136
137 .. _opencl_fdeclare_opencl_builtins:
138
139 .. option:: -fdeclare-opencl-builtins
140
141 In addition to regular header includes with builtin types and functions using
142 :ref:`-finclude-default-header <opencl_finclude_default_header>`, clang
143 supports a fast mechanism to declare builtin functions with
144 ``-fdeclare-opencl-builtins``. This does not declare the builtin types and
145 therefore it has to be used in combination with ``-finclude-default-header``
146 if full functionality is required.
147
148 **Example of Use**:
149
150     .. code-block:: console
151
152       $ clang -Xclang -fdeclare-opencl-builtins test.cl
153
154 .. _opencl_fake_address_space_map:
155
156 .. option:: -ffake-address-space-map
157
158 Overrides the target address space map with a fake map.
159 This allows adding explicit address space IDs to the bitcode for non-segmented
160 memory architectures that do not have separate IDs for each of the OpenCL
161 logical address spaces by default. Passing ``-ffake-address-space-map`` will
162 add/override address spaces of the target compiled for with the following values:
163 ``1-global``, ``2-constant``, ``3-local``, ``4-generic``. The private address
164 space is represented by the absence of an address space attribute in the IR (see
165 also :ref:`the section on the address space attribute <opencl_addrsp>`).
166
167    .. code-block:: console
168
169      $ clang -cc1 -ffake-address-space-map test.cl
170
171 .. _opencl_builtins:
172
173 OpenCL builtins
174 ---------------
175
176 **Clang builtins**
177
178 There are some standard OpenCL functions that are implemented as Clang builtins:
179
180 - All pipe functions from `section 6.13.16.2/6.13.16.3
181   <https://www.khronos.org/registry/cl/specs/opencl-2.0-openclc.pdf#160>`_ of
182   the OpenCL v2.0 kernel language specification.
183
184 - Address space qualifier conversion functions ``to_global``/``to_local``/``to_private``
185   from `section 6.13.9
186   <https://www.khronos.org/registry/cl/specs/opencl-2.0-openclc.pdf#101>`_.
187
188 - All the ``enqueue_kernel`` functions from `section 6.13.17.1
189   <https://www.khronos.org/registry/cl/specs/opencl-2.0-openclc.pdf#164>`_ and
190   enqueue query functions from `section 6.13.17.5
191   <https://www.khronos.org/registry/cl/specs/opencl-2.0-openclc.pdf#171>`_.
192
193 **Fast builtin function declarations**
194
195 The implementation of the fast builtin function declarations (available via the
196 :ref:`-fdeclare-opencl-builtins option <opencl_fdeclare_opencl_builtins>`) consists
197 of the following main components:
198
199 - A TableGen definitions file ``OpenCLBuiltins.td``.  This contains a compact
200   representation of the supported builtin functions.  When adding new builtin
201   function declarations, this is normally the only file that needs modifying.
202
203 - A Clang TableGen emitter defined in ``ClangOpenCLBuiltinEmitter.cpp``.  During
204   Clang build time, the emitter reads the TableGen definition file and
205   generates ``OpenCLBuiltins.inc``.  This generated file contains various tables
206   and functions that capture the builtin function data from the TableGen
207   definitions in a compact manner.
208
209 - OpenCL specific code in ``SemaLookup.cpp``.  When ``Sema::LookupBuiltin``
210   encounters a potential builtin function, it will check if the name corresponds
211   to a valid OpenCL builtin function.  If so, all overloads of the function are
212   inserted using ``InsertOCLBuiltinDeclarationsFromTable`` and overload
213   resolution takes place.
214
215 OpenCL Extensions and Features
216 ------------------------------
217
218 Clang implements various extensions to OpenCL kernel languages.
219
220 New functionality is accepted as soon as the documentation is detailed to the
221 level sufficient to be implemented. There should be an evidence that the
222 extension is designed with implementation feasibility in consideration and
223 assessment of complexity for C/C++ based compilers. Alternatively, the
224 documentation can be accepted in a format of a draft that can be further
225 refined during the implementation.
226
227 Implementation guidelines
228 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
229
230 This section explains how to extend clang with the new functionality.
231
232 **Parsing functionality**
233
234 If an extension modifies the standard parsing it needs to be added to
235 the clang frontend source code. This also means that the associated macro
236 indicating the presence of the extension should be added to clang.
237
238 The default flow for adding a new extension into the frontend is to
239 modify `OpenCLExtensions.def
240 <https://github.com/llvm/llvm-project/blob/main/clang/include/clang/Basic/OpenCLExtensions.def>`_
241
242 This will add the macro automatically and also add a field in the target
243 options ``clang::TargetOptions::OpenCLFeaturesMap`` to control the exposure
244 of the new extension during the compilation.
245
246 Note that by default targets like `SPIR` or `X86` expose all the OpenCL
247 extensions. For all other targets the configuration has to be made explicitly.
248
249 Note that the target extension support performed by clang can be overridden
250 with :ref:`-cl-ext <opencl_cl_ext>` command-line flags.
251
252 **Library functionality**
253
254 If an extension adds functionality that does not modify standard language
255 parsing it should not require modifying anything other than header files and
256 ``OpenCLBuiltins.td`` detailed in :ref:`OpenCL builtins <opencl_builtins>`.
257 Most commonly such extensions add functionality via libraries (by adding
258 non-native types or functions) parsed regularly. Similar to other languages this
259 is the most common way to add new functionality.
260
261 Clang has standard headers where new types and functions are being added,
262 for more details refer to
263 :ref:`the section on the OpenCL Header <opencl_header>`. The macros indicating
264 the presence of such extensions can be added in the standard header files
265 conditioned on target specific predefined macros or/and language version
266 predefined macros.
267
268 **Pragmas**
269
270 Some extensions alter standard parsing dynamically via pragmas.
271
272 Clang provides a mechanism to add the standard extension pragma
273 ``OPENCL EXTENSION`` by setting a dedicated flag in the extension list entry of
274 ``OpenCLExtensions.def``. Note that there is no default behavior for the
275 standard extension pragmas as it is not specified (for the standards up to and
276 including version 3.0) in a sufficient level of detail and, therefore,
277 there is no default functionality provided by clang.
278
279 Pragmas without detailed information of their behavior (e.g. an explanation of
280 changes it triggers in the parsing) should not be added to clang. Moreover, the
281 pragmas should provide useful functionality to the user. For example, such
282 functionality should address a practical use case and not be redundant i.e.
283 cannot be achieved using existing features.
284
285 Note that some legacy extensions (published prior to OpenCL 3.0) still
286 provide some non-conformant functionality for pragmas e.g. add diagnostics on
287 the use of types or functions. This functionality is not guaranteed to remain in
288 future releases. However, any future changes should not affect backward
289 compatibility.
290
291 .. _opencl_addrsp:
292
293 Address spaces attribute
294 ------------------------
295
296 Clang has arbitrary address space support using the ``address_space(N)``
297 attribute, where ``N`` is an integer number in the range specified in the
298 Clang source code. This addresses spaces can be used along with the OpenCL
299 address spaces however when such addresses spaces converted to/from OpenCL
300 address spaces the behavior is not governed by OpenCL specification.
301
302 An OpenCL implementation provides a list of standard address spaces using
303 keywords: ``private``, ``local``, ``global``, and ``generic``. In the AST and
304 in the IR each of the address spaces will be represented by unique number
305 provided in the Clang source code. The specific IDs for an address space do not
306 have to match between the AST and the IR. Typically in the AST address space
307 numbers represent logical segments while in the IR they represent physical
308 segments.
309 Therefore, machines with flat memory segments can map all AST address space
310 numbers to the same physical segment ID or skip address space attribute
311 completely while generating the IR. However, if the address space information
312 is needed by the IR passes e.g. to improve alias analysis, it is recommended
313 to keep it and only lower to reflect physical memory segments in the late
314 machine passes. The mapping between logical and target address spaces is
315 specified in the Clang's source code.
316
317 .. _cxx_for_opencl_impl:
318
319 C++ for OpenCL Implementation Status
320 ====================================
321
322 Clang implements language version 1.0 published in `the official
323 release of C++ for OpenCL Documentation
324 <https://github.com/KhronosGroup/OpenCL-Docs/releases/tag/cxxforopencl-v1.0-r2>`_.
325
326 Limited support of experimental C++ libraries is described in the :ref:`experimental features <opencl_experimenal>`.
327
328 Bugzilla bugs for this functionality are typically prefixed
329 with '[C++4OpenCL]' - click `here
330 <https://bugs.llvm.org/buglist.cgi?component=OpenCL&list_id=204139&product=clang&query_format=advanced&resolution=---&short_desc=%5BC%2B%2B4OpenCL%5D&short_desc_type=allwordssubstr>`__
331 to view the full bug list.
332
333
334 Missing features or with limited support
335 ----------------------------------------
336
337 - IR generation for global destructors is incomplete (See:
338   `PR48047 <https://llvm.org/PR48047>`_).
339
340 .. _opencl_300:
341
342 OpenCL C 3.0 Usage
343 ==================
344
345 OpenCL C 3.0 language standard makes most OpenCL C 2.0 features optional. Optional
346 functionality in OpenCL C 3.0 is indicated with the presence of feature-test macros
347 (list of feature-test macros is `here <https://www.khronos.org/registry/OpenCL/specs/3.0-unified/html/OpenCL_C.html#features>`__).
348 Command-line flag :ref:`-cl-ext <opencl_cl_ext>` can be used to override features supported by a target.
349
350 For cases when there is an associated extension for a specific feature (fp64 and 3d image writes)
351 user should specify both (extension and feature) in command-line flag:
352
353    .. code-block:: console
354
355      $ clang -cc1 -cl-std=CL3.0 -cl-ext=+cl_khr_fp64,+__opencl_c_fp64 ...
356      $ clang -cc1 -cl-std=CL3.0 -cl-ext=-cl_khr_fp64,-__opencl_c_fp64 ...
357
358
359 OpenCL C 3.0 Implementation Status
360 ----------------------------------
361
362 The following table provides an overview of features in OpenCL C 3.0 and their
363 implementation status.
364
365 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
366 | Category                     | Feature                                                           | Status               | Reviews                                                                                      |
367 +==============================+=========================+=========================================+======================+==============================================================================================+
368 | Command line interface       | New value for ``-cl-std`` flag                                    | :good:`done`         | https://reviews.llvm.org/D88300                                                              |
369 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
370 | Predefined macros            | New version macro                                                 | :good:`done`         | https://reviews.llvm.org/D88300                                                              |
371 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
372 | Predefined macros            | Feature macros                                                    | :good:`done`         | https://reviews.llvm.org/D95776                                                              |
373 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
374 | Feature optionality          | Generic address space                                             | :good:`done`         | https://reviews.llvm.org/D95778 and https://reviews.llvm.org/D103401                         |
375 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
376 | Feature optionality          | Builtin function overloads with generic address space             | :good:`done`         | https://reviews.llvm.org/D105526                                                             |
377 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
378 | Feature optionality          | Program scope variables in global memory                          | :good:`done`         | https://reviews.llvm.org/D103191                                                             |
379 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
380 | Feature optionality          | 3D image writes including builtin functions                       | :part:`worked on`    | https://reviews.llvm.org/D106260 (frontend)                                                  |
381 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
382 | Feature optionality          | read_write images including builtin functions                     | :part:`worked on`    | https://reviews.llvm.org/D104915 (frontend) and https://reviews.llvm.org/D107539 (functions) |
383 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
384 | Feature optionality          | C11 atomics memory scopes, ordering and builtin function          | :good:`done`         | https://reviews.llvm.org/D106111                                                             |
385 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
386 | Feature optionality          | Blocks and Device-side kernel enqueue including builtin functions | :none:`unclaimed`    |                                                                                              |
387 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
388 | Feature optionality          | Pipes including builtin functions                                 | :good:`done`         | https://reviews.llvm.org/D107154 (frontend) and https://reviews.llvm.org/D105858 (functions) |
389 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
390 | Feature optionality          | Work group collective builtin functions                           | :good:`done`         | https://reviews.llvm.org/D105858                                                             |
391 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
392 | Feature optionality          | Image types and builtin functions                                 | :good:`done`         | https://reviews.llvm.org/D103911 (frontend) and https://reviews.llvm.org/D107539 (functions) |
393 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
394 | Feature optionality          | Double precision floating point type                              | :good:`done`         | https://reviews.llvm.org/D96524                                                              |
395 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
396 | New functionality            | RGBA vector components                                            | :good:`done`         | https://reviews.llvm.org/D99969                                                              |
397 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
398 | New functionality            | Subgroup functions                                                | :part:`worked on`    | https://reviews.llvm.org/D105858                                                             |
399 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
400 | New functionality            | Atomic mem scopes: subgroup, all devices including functions      | :part:`worked on`    |  https://reviews.llvm.org/D103241                                                            |
401 +------------------------------+-------------------------+-----------------------------------------+----------------------+----------------------------------------------------------------------------------------------+
402
403 .. _opencl_experimenal:
404
405 Experimental features
406 =====================
407
408 Clang provides the following new WIP features for the developers to experiment
409 and provide early feedback or contribute with further improvements.
410 Feel free to contact us on `cfe-dev
411 <https://lists.llvm.org/mailman/listinfo/cfe-dev>`_ or via `Bugzilla
412 <https://bugs.llvm.org/>`__.
413
414 .. _opencl_experimental_cxxlibs:
415
416 C++ libraries for OpenCL
417 ------------------------
418
419 There is ongoing work to support C++ standard libraries from `LLVM's libcxx
420 <https://libcxx.llvm.org/>`_ in OpenCL kernel code using C++ for OpenCL mode.
421
422 It is currently possible to include `type_traits` from C++17 in the kernel
423 sources when the following clang extensions are enabled
424 ``__cl_clang_function_pointers`` and ``__cl_clang_variadic_functions``,
425 see :doc:`LanguageExtensions` for more details. The use of non-conformant
426 features enabled by the extensions does not expose non-conformant behavior
427 beyond the compilation i.e. does not get generated in IR or binary.
428 The extension only appear in metaprogramming
429 mechanism to identify or verify the properties of types. This allows to provide
430 the full C++ functionality without a loss of portability. To avoid unsafe use
431 of the extensions it is recommended that the extensions are disabled directly
432 after the header include.
433
434 **Example of Use**:
435
436 The example of kernel code with `type_traits` is illustrated here.
437
438 .. code-block:: c++
439
440   #pragma OPENCL EXTENSION __cl_clang_function_pointers : enable
441   #pragma OPENCL EXTENSION __cl_clang_variadic_functions : enable
442   #include <type_traits>
443   #pragma OPENCL EXTENSION __cl_clang_function_pointers : disable
444   #pragma OPENCL EXTENSION __cl_clang_variadic_functions : disable
445
446   using sint_type = std::make_signed<unsigned int>::type;
447
448   __kernel void foo() {
449     static_assert(!std::is_same<sint_type, unsigned int>::value);
450   }
451
452 The possible clang invocation to compile the example is as follows:
453
454    .. code-block:: console
455
456      $ clang -I<path to libcxx checkout or installation>/include test.clcpp
457
458 Note that `type_traits` is a header only library and therefore no extra
459 linking step against the standard libraries is required. See full example
460 in `Compiler Explorer <https://godbolt.org/z/5WbnTfb65>`_.
461
462 More OpenCL specific C++ library implementations built on top of libcxx
463 are available in `libclcxx <https://github.com/KhronosGroup/libclcxx>`_
464 project.