LLVM-Fortran-Compiler Flang erhält erste offizielle Release

• LLVM enthält seit LLVM 11 im Jahr 2020 den Fortran-Compiler Flang
• Der Name der anfänglichen ausführbaren Datei war nicht flang, sondern flang-new
• Mit LLVM 20 wurde flang-new in flang umbenannt, was die Reife von Flang anerkennt
• Nach jahrelanger Entwicklung hat sich Flang als offizieller Fortran-Compiler etabliert

Die Bedeutung von Fortran

• Fortran begann in den 1950er-Jahren als Sprache für Formula Translation
• Wird breit in wissenschaftlichen Berechnungen eingesetzt (Wettermodellierung, Strömungsmechanik, Computerchemie usw.)
• In jüngster Zeit wurde das Fortran-Ökosystem wieder belebt
  • Fortran-Paketmanager (fpm), eine inoffizielle Standardbibliothek, LFortran usw. sind entstanden
• Mehr als 80 % des auf dem Supercomputer ARCHER2 ausgeführten Codes sind in Fortran geschrieben

Warum ein neuer Fortran-Compiler nötig ist

• Bestehende Fortran-Compiler:
  • Intel-Fortran-Compiler, NVIDIA-HPC-Compiler usw.
  • Open-Source-Compiler: GFortran
• Frühere Partner des Flang-Projekts: US-amerikanische nationale Forschungslabore und NVIDIA
• Ziele:
  • Open Source sein und eine für den kommerziellen Einsatz geeignete Lizenz bieten
  • Eine aktive Community von Fortran-Compiler-Entwicklern aufbauen
  • Fortran-Entwicklung mit LLVM-basierten Tools unterstützen
  • Eine experimentelle Plattform für Vorschläge zu neuen Sprachstandards bereitstellen
• Mehrere Implementierungen können Kompatibilitätsprobleme entschärfen und Verbesserungen ermöglichen

Die Timeline von Flang

• 1989: Gründung der Portland Group (PGI)
• 2015: Start des Classic-Flang-Projekts (geführt von NVIDIA und US-amerikanischen Forschungslaboren)
• 2017: Erste Release von Classic Flang und Umstellung auf Open Source
• 2018: Beginn der Neuschreibung des Frontends von Classic Flang als F18
• 2019: F18 wird in das LLVM-Projekt integriert
• 2020: Einführung des neuen Flang-Treibers flang-new
• 2022: NVIDIA steuert FIR (Fortran IR) zu LLVM bei
• 2024: flang-new wird in flang umbenannt
• 2025: Die ausführbare Datei flang wird in LLVM 20.1 aufgenommen

Der Prozess der Umbenennung von Flang

• Die Umbenennung von Flang wurde mehrfach diskutiert
• Entscheidungskriterien:
  • Behebung zentraler Funktions- und Leistungsprobleme
  • Unfertige Sprachfunktionen müssen klare Fehlermeldungen ausgeben
  • Es werden gute Ergebnisse in Leistungsvergleichen mit anderen Fortran-Compilern benötigt
  • Bestätigung der Stabilität durch umfangreiche Test-Suites
• Rat des LLVM-Mitgründers Chris Lattner:

  "Das Problem von Namenskonflikten zwischen dem bestehenden Flang und dem neuen Flang muss gelöst werden"

• Im Oktober 2024 wurde nach Konsens in der Community die Umbenennung von flang-new in flang abgeschlossen

Der Kompilierungsprozess von Flang und die Einführung von MLIR

MLIR (Multi-Level Intermediate Representation)

• Allein mit LLVM IR ist es schwierig, Informationen auf Sprachebene zu bewahren
• MLIR kann die Eigenschaften höherer Programmiersprachen erhalten und optimierbar machen
• Flang baut FIR (Fortran IR) auf Basis von MLIR auf
• FIR bewahrt Informationen zu Fortran-Arrays, Typen usw.

HLFIR (High Level FIR)

• Eine Darstellung auf höherer Ebene über FIR
• Unterstützt Array-Optimierungen und fortgeschrittene Fortran-Syntax

Kompilierungsstufen

1. Fortran-Quellcode
2. Erzeugung von MLIR (HLFIR + FIR)
3. FIR-Transformation
4. LLVM-IR-Transformation
5. Machine IR → Assembler → ausführbare Datei

OpenMP-Unterstützung in Flang

• OpenMP ist eine Standard-API für parallele Programmierung
• Flang ergänzt MLIR um einen OpenMP-spezifischen Dialekt
• Mit OpenMPIRBuilder wird in LLVM IR umgewandelt
• Die OpenMP-Implementierung von Flang ist strukturell ähnlich zu Clang

Das Treiberdesign von Flang

• flang → benutzerfreundlicher Treiber
• flang -fc1 → entwicklerfreundlicher Frontend-Treiber
• Implementiert auf Basis der clangDriver-Bibliothek von Clang
• Unterstützung für verschiedene Targets und Tools möglich

Beiträge und Reaktionen rund um Flang

• Arm: Entwicklung einer HPC-Toolchain auf Basis von Flang
• Fujitsu: Beiträge zur Verbesserung von Flang über HPC-Test-Suites
• Linaro: Fehlerbehebungen mithilfe der Fujitsu-Test-Suites
• SciPy: Löst Probleme bei der Windows-Unterstützung durch die Einführung von Flang
• Barcelona Supercomputing Center: Unterstützung für RISC-V-Vektorisierung und interne Parallelisierungsmodelle
• Chris Lattner:

  "Flang ist ein Symbol für das Kollaborationsmodell, das das LLVM-Projekt bietet"

• AMD: Entwickelt den Fortran-Compiler der nächsten Generation auf Basis von Flang

Wie man zu Flang beitragen kann

• Flang entwickelt sich als Open-Source-Projekt kontinuierlich weiter
• Man kann es direkt ausprobieren und Feedback geben
• Es gibt viele Möglichkeiten zur Mitwirkung, etwa Code-Beiträge oder Dokumentationskorrekturen
• Es folgt dem standardmäßigen Beitragsprozess von LLVM