Flang คอมไพเลอร์ Fortran ของ LLVM ออกรีลีสทางการครั้งแรก

• LLVM ได้รวมคอมไพเลอร์ Fortran ชื่อ Flang มาตั้งแต่ LLVM 11 ในปี 2020
• ชื่อไฟล์ปฏิบัติการช่วงแรกไม่ใช่ flang แต่เป็น flang-new
• ใน LLVM 20 มีการเปลี่ยน flang-new เป็น flang เพื่อสะท้อนว่า Flang มีความพร้อมในระดับที่ยอมรับได้แล้ว
• หลังการพัฒนาต่อเนื่องมาหลายปี Flang ได้กลายเป็นคอมไพเลอร์ Fortran อย่างเป็นทางการ

ความสำคัญของ Fortran

• Fortran เริ่มต้นในทศวรรษ 1950 ในฐานะภาษาสำหรับแปลสูตรคำนวณ (Formula Translation)
• ถูกใช้อย่างแพร่หลายในงานคำนวณเชิงวิทยาศาสตร์ (เช่น การจำลองสภาพอากาศ พลศาสตร์ของไหล เคมีเชิงคำนวณ เป็นต้น)
• ช่วงหลังระบบนิเวศของ Fortran กลับมาคึกคักอีกครั้ง
  • มีทั้ง Fortran package manager (fpm), standard library แบบไม่เป็นทางการ, LFortran และอื่น ๆ
• โค้ดมากกว่า 80% ที่รันบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ARCHER2 เขียนด้วย Fortran

เหตุใดจึงต้องมีคอมไพเลอร์ Fortran ตัวใหม่

• คอมไพเลอร์ Fortran เดิมที่มีอยู่:
  • Intel Fortran Compiler, NVIDIA HPC Compiler เป็นต้น
  • คอมไพเลอร์โอเพนซอร์ส: GFortran
• พันธมิตรช่วงเริ่มต้นของโครงการ Flang ได้แก่ ห้องปฏิบัติการวิจัยแห่งชาติของสหรัฐฯ และ NVIDIA
• เป้าหมายคือ:
  • เป็นโอเพนซอร์สและใช้ไลเซนส์ที่เหมาะกับการใช้งานเชิงพาณิชย์
  • สร้างชุมชนนักพัฒนาคอมไพเลอร์ Fortran ที่มีความเคลื่อนไหว
  • สนับสนุนการพัฒนา Fortran ด้วยเครื่องมือบนฐาน LLVM
  • เป็นแพลตฟอร์มทดลองสำหรับข้อเสนอของมาตรฐานภาษาใหม่
• การมีหลายอิมพลีเมนเทชันช่วยลดปัญหาความเข้ากันได้และเปิดทางให้เกิดการปรับปรุง

ไทม์ไลน์ของ Flang

• 1989: ก่อตั้ง Portland Group (PGI)
• 2015: เริ่มโครงการ Classic Flang (นำโดย NVIDIA และห้องปฏิบัติการวิจัยแห่งชาติของสหรัฐฯ)
• 2017: ออกรีลีสแรกของ Classic Flang และเปลี่ยนเป็นโอเพนซอร์ส
• 2018: เริ่มเขียนฟรอนต์เอนด์ของ Classic Flang ใหม่เป็น F18
• 2019: F18 ถูกรวมเข้าเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ LLVM
• 2020: เปิดตัวไดรเวอร์ใหม่ของ Flang คือ flang-new
• 2022: NVIDIA ส่ง FIR (Fortran IR) เข้าสู่ LLVM
• 2024: เปลี่ยนชื่อ flang-new เป็น flang
• 2025: มีไฟล์ปฏิบัติการ flang รวมอยู่ใน LLVM 20.1

กระบวนการเปลี่ยนชื่อของ Flang

• มีการถกเถียงเรื่องการเปลี่ยนชื่อ Flang อยู่หลายครั้ง
• เกณฑ์ในการตัดสินใจได้แก่:
  • แก้ปัญหาความสามารถหลักและปัญหาด้านประสิทธิภาพแล้ว
  • ฟีเจอร์ภาษาที่ยังไม่สมบูรณ์ต้องแสดงข้อความผิดพลาดอย่างชัดเจน
  • ต้องมีผลการเปรียบเทียบประสิทธิภาพกับคอมไพเลอร์ Fortran อื่นที่ดีเพียงพอ
  • ยืนยันเสถียรภาพด้วยชุดทดสอบที่ครอบคลุมกว้างขวาง
• คำแนะนำจาก Chris Lattner ผู้ร่วมก่อตั้ง LLVM:

  "จำเป็นต้องแก้ปัญหาชื่อชนกันระหว่าง Flang เดิมกับ Flang ใหม่"

• เดือนตุลาคม 2024 หลังชุมชนเห็นพ้องร่วมกัน จึงเปลี่ยนชื่อจาก flang-new เป็น flang สำเร็จ

กระบวนการคอมไพล์ของ Flang และการนำ MLIR มาใช้

MLIR (Multi-Level Intermediate Representation)

• ใช้เพียง LLVM IR อย่างเดียวทำให้เก็บข้อมูลระดับสูงของภาษาไว้ได้ยาก
• MLIR ช่วยรักษาคุณลักษณะของภาษาระดับสูงและรองรับการปรับแต่งประสิทธิภาพได้
• Flang สร้าง FIR (Fortran IR) บนพื้นฐานของ MLIR
• FIR เก็บข้อมูลของ Fortran เช่น อาร์เรย์และชนิดข้อมูลไว้ได้

HLFIR (High Level FIR)

• เป็นรูปแบบการแสดงผลในระดับที่สูงกว่า FIR
• รองรับการปรับแต่งอาร์เรย์และไวยากรณ์ Fortran ขั้นสูง

ขั้นตอนการคอมไพล์

1. ซอร์สโค้ด Fortran
2. สร้าง MLIR (HLFIR + FIR)
3. แปลง FIR
4. แปลงเป็น LLVM IR
5. Machine IR → แอสเซมบลี → ไฟล์ปฏิบัติการ

การรองรับ OpenMP ของ Flang

• OpenMP คือ API มาตรฐานสำหรับการเขียนโปรแกรมแบบขนาน
• Flang เพิ่ม dialect เฉพาะของ OpenMP ใน MLIR
• ใช้ OpenMPIRBuilder เพื่อแปลงไปเป็น LLVM IR
• การอิมพลีเมนต์ OpenMP ของ Flang มีโครงสร้างคล้ายกับ Clang

การออกแบบไดรเวอร์ของ Flang

• flang → ไดรเวอร์ที่เป็นมิตรต่อผู้ใช้
• flang -fc1 → ไดรเวอร์ฟรอนต์เอนด์ที่เป็นมิตรต่อผู้พัฒนา
• พัฒนาบนพื้นฐานของไลบรารี clangDriver ของ Clang
• รองรับการขยายไปยังเป้าหมายและเครื่องมือต่าง ๆ ได้

การมีส่วนร่วมและเสียงตอบรับต่อ Flang

• Arm: พัฒนา HPC toolchain บนพื้นฐานของ Flang
• Fujitsu: ช่วยปรับปรุง Flang ผ่านชุดทดสอบ HPC
• Linaro: แก้ไขข้อบกพร่องโดยใช้ชุดทดสอบของ Fujitsu
• SciPy: การนำ Flang มาใช้ช่วยแก้ปัญหาการรองรับ Windows
• Barcelona Supercomputing Center: รองรับการเวกเตอร์ไรซ์ของ RISC-V และโมเดลขนานภายใน
• Chris Lattner:

  "Flang คือสัญลักษณ์ของโมเดลความร่วมมือที่โครงการ LLVM มอบให้"

• AMD: กำลังพัฒนาคอมไพเลอร์ Fortran รุ่นถัดไปบนพื้นฐานของ Flang

วิธีร่วมพัฒนา Flang

• Flang เป็นโครงการโอเพนซอร์สที่ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง
• สามารถทดลองใช้งานโดยตรงและส่งฟีดแบ็กได้
• มีหลายวิธีในการมีส่วนร่วม เช่น ส่งโค้ดหรือแก้ไขเอกสาร
• ปฏิบัติตามกระบวนการร่วมพัฒนามาตรฐานของ LLVM