Bản phát hành chính thức đầu tiên của trình biên dịch Fortran Flang trong LLVM

• LLVM đã đưa trình biên dịch Fortran Flang vào từ LLVM 11 năm 2020
• Tên tệp thực thi ban đầu là flang-new, không phải flang
• Trong LLVM 20, flang-new được đổi thành flang, thừa nhận mức độ trưởng thành của Flang
• Sau nhiều năm phát triển, Flang đã trở thành trình biên dịch Fortran chính thức

Tầm quan trọng của Fortran

• Fortran bắt đầu từ những năm 1950 như ngôn ngữ Formula Translation
• Được sử dụng rộng rãi trong tính toán khoa học (mô hình khí tượng, động lực học chất lưu, hóa học tính toán, v.v.)
• Gần đây hệ sinh thái Fortran đang sôi động trở lại
  • Xuất hiện Fortran package manager (fpm), thư viện chuẩn không chính thức, LFortran, v.v.
• Hơn 80% mã chạy trên siêu máy tính ARCHER2 được viết bằng Fortran

Vì sao cần một trình biên dịch Fortran mới

• Các trình biên dịch Fortran hiện có:
  • Intel Fortran Compiler, NVIDIA HPC Compilers, v.v.
  • Trình biên dịch mã nguồn mở: GFortran
• Đối tác ban đầu của dự án Flang: các phòng thí nghiệm nghiên cứu quốc gia của Mỹ và NVIDIA
• Mục tiêu:
  • Cung cấp giấy phép mã nguồn mở phù hợp cho cả sử dụng thương mại
  • Xây dựng cộng đồng nhà phát triển trình biên dịch Fortran năng động
  • Hỗ trợ phát triển Fortran bằng các công cụ dựa trên LLVM
  • Cung cấp nền tảng thử nghiệm cho các đề xuất tiêu chuẩn ngôn ngữ mới
• Sự tồn tại của nhiều cách triển khai giúp giảm vấn đề tương thích và thúc đẩy cải tiến

Dòng thời gian của Flang

• 1989: Portland Group (PGI) được thành lập
• 2015: Dự án Classic Flang bắt đầu (do NVIDIA và các phòng thí nghiệm quốc gia của Mỹ dẫn dắt)
• 2017: Bản phát hành đầu tiên của Classic Flang và chuyển sang mã nguồn mở
• 2018: Bắt đầu viết lại frontend của Classic Flang thành F18
• 2019: F18 được tích hợp vào dự án LLVM
• 2020: Giới thiệu driver mới flang-new của Flang
• 2022: NVIDIA đóng góp FIR (Fortran IR) cho LLVM
• 2024: flang-new được đổi tên thành flang
• 2025: LLVM 20.1 bao gồm tệp thực thi flang

Quá trình đổi tên của Flang

• Việc đổi tên Flang đã được thảo luận nhiều lần
• Tiêu chí quyết định:
  • Giải quyết các vấn đề chính về tính năng và hiệu năng
  • Với các tính năng ngôn ngữ chưa hoàn thiện, phải đưa ra thông báo lỗi rõ ràng
  • Cần có kết quả tốt khi so sánh hiệu năng với các trình biên dịch Fortran khác
  • Xác nhận độ ổn định thông qua bộ kiểm thử diện rộng
• Lời khuyên từ đồng sáng lập LLVM Chris Lattner:
  > "Cần giải quyết vấn đề xung đột tên giữa Flang cũ và Flang mới"
• Tháng 10/2024, sau khi cộng đồng đạt đồng thuận, việc đổi tên flang-new → flang đã hoàn tất

Quy trình biên dịch của Flang và việc đưa MLIR vào

MLIR(Multi-Level Intermediate Representation)

• Chỉ với LLVM IR thì khó bảo toàn thông tin ngôn ngữ ở mức cao
• MLIR có thể giữ lại đặc tính của ngôn ngữ bậc cao và cho phép tối ưu hóa
• Flang xây dựng FIR (Fortran IR) trên nền tảng MLIR
• FIR bảo toàn thông tin như mảng, kiểu dữ liệu của Fortran

HLFIR(High Level FIR)

• Biểu diễn ở mức cao hơn của FIR
• Hỗ trợ tối ưu hóa mảng và cú pháp Fortran nâng cao

Các bước biên dịch

1. Mã nguồn Fortran
2. Tạo MLIR (HLFIR + FIR)
3. Chuyển đổi FIR
4. Chuyển đổi sang LLVM IR
5. Machine IR → assembly → tệp thực thi

Hỗ trợ OpenMP của Flang

• OpenMP là API tiêu chuẩn cho lập trình song song
• Flang bổ sung dialect chuyên dụng cho OpenMP trong MLIR
• Chuyển đổi sang LLVM IR bằng OpenMPIRBuilder
• Triển khai OpenMP của Flang có cấu trúc tương tự Clang

Thiết kế driver của Flang

• flang → driver thân thiện với người dùng
• flang -fc1 → driver frontend thân thiện với nhà phát triển
• Được triển khai dựa trên thư viện clangDriver của Clang
• Có thể hỗ trợ nhiều target và công cụ khác nhau

Đóng góp và phản hồi về Flang

• Arm: phát triển toolchain HPC dựa trên Flang
• Fujitsu: đóng góp cải thiện Flang thông qua bộ kiểm thử HPC
• Linaro: sửa lỗi thông qua bộ kiểm thử của Fujitsu
• SciPy: giải quyết vấn đề hỗ trợ Windows nhờ áp dụng Flang
• Barcelona Supercomputing Center: hỗ trợ vector hóa RISC-V và mô hình song song nội bộ
• Chris Lattner:
  > "Flang là biểu tượng cho mô hình cộng tác mà dự án LLVM mang lại"
• AMD: đang phát triển trình biên dịch Fortran thế hệ tiếp theo dựa trên Flang

Cách đóng góp cho Flang

• Flang là dự án mã nguồn mở đang tiếp tục phát triển
• Có thể trực tiếp sử dụng và gửi phản hồi
• Có nhiều cách đóng góp như đóng góp mã nguồn, chỉnh sửa tài liệu, v.v.
• Tuân theo quy trình đóng góp tiêu chuẩn của LLVM