LLVM Fortranコンパイラ Flang、初の公式リリース

• LLVMは2020年のLLVM 11からFortranコンパイラFlangを含めてきた
• 初期の実行ファイル名はflangではなくflang-newだった
• LLVM 20でflang-newをflangへ変更し、Flangの成熟度が認められた
• Flangは長年の開発を経て、公式Fortranコンパイラとして定着した

Fortranの重要性

• Fortranは1950年代に数式翻訳（Formula Translation）言語として始まった
• 科学技術計算で広く使われている（気象モデリング、流体力学、計算化学など）
• 近年、Fortranエコシステムが再び活性化している
  • Fortranパッケージマネージャー（fpm）、非公式標準ライブラリ、LFortranなどが登場
• ARCHER2スーパーコンピュータで実行されるコードの80%以上がFortranで書かれている

新しいFortranコンパイラが必要な理由

• 既存のFortranコンパイラ:
  • Intel Fortran Compiler、NVIDIA HPC Compilerなど
  • オープンソースコンパイラ: GFortran
• Flangプロジェクトの初期パートナー: 米国の国立研究所およびNVIDIA
• 目標:
  • オープンソースであり、商用利用に適したライセンスを提供
  • 活発なFortranコンパイラ開発者コミュニティを構築
  • LLVMベースのツールでFortran開発を支援
  • 新しい言語標準提案のための実験プラットフォームを提供
• 複数の実装が存在することで、互換性の問題を緩和し改善できる

Flangのタイムライン

• 1989年: Portland Group（PGI）設立
• 2015年: Classic Flangプロジェクト開始（NVIDIA、米国の国立研究所が主導）
• 2017年: Classic Flangの初リリースおよびオープンソース化
• 2018年: Classic FlangのフロントエンドをF18として再実装開始
• 2019年: F18がLLVMプロジェクトに統合される
• 2020年: Flangの新しいドライバflang-new導入
• 2022年: NVIDIAがFIR（Fortran IR）をLLVMに提供
• 2024年: flang-newがflangへ改名
• 2025年: LLVM 20.1にflang実行ファイルが含まれる

Flangの名称変更プロセス

• Flangの名称変更は複数回にわたって議論されてきた
• 決定基準:
  • 主要な機能と性能の問題を解決していること
  • 未完成の言語機能については明確なエラーメッセージを出力すること
  • 他のFortranコンパイラとの性能比較で優れた結果が必要
  • 広範なテストスイートによる安定性確認
• LLVM共同創設者Chris Lattnerの助言:

  "既存のFlangと新しいFlangの名称衝突問題を解決する必要がある"

• 2024年10月、コミュニティ合意の後にflang-new → flangへの名称変更が完了

Flangのコンパイル工程とMLIR導入

MLIR（Multi-Level Intermediate Representation）

• LLVM IRだけでは高水準言語の情報を保持しにくい
• MLIRは高水準言語の特性を保持したまま最適化できる
• FlangはFIR（Fortran IR）をMLIRベースで構築している
• FIRはFortranの配列や型などの情報を保持する

HLFIR（High Level FIR）

• FIRの上位レベル表現
• 配列最適化と高度なFortran構文をサポート

コンパイル段階

1. Fortranソースコード
2. MLIR（HLFIR + FIR）生成
3. FIR変換
4. LLVM IR変換
5. Machine IR → アセンブリ → 実行ファイル

FlangのOpenMPサポート

• OpenMPは並列プログラミングのための標準API
• FlangはMLIRにOpenMP専用dialectを追加
• OpenMPIRBuilderを使ってLLVM IRへ変換
• FlangのOpenMP実装はClangと構造的に類似している

Flangのドライバ設計

• flang → ユーザーフレンドリーなドライバ
• flang -fc1 → 開発者向けフロントエンドドライバ
• ClangのclangDriverライブラリを基に実装
• 多様なターゲットとツールをサポート可能

Flangの貢献と反応

• Arm: FlangベースのHPCツールチェーンを開発
• Fujitsu: HPCテストスイートを通じてFlang改善に貢献
• Linaro: Fujitsuのテストスイートを通じた不具合修正
• SciPy: Flang導入によりWindowsサポート問題を解決
• Barcelona Supercomputing Center: RISC-Vベクトル化と内部並列モデルをサポート
• Chris Lattner:

  "FlangはLLVMプロジェクトが提供する協業モデルの象徴だ"

• AMD: 次世代FortranコンパイラをFlangベースで開発中

Flangへの貢献方法

• Flangはオープンソースプロジェクトとして継続的に発展している
• 実際に使ってみてフィードバックを提供できる
• コード貢献、ドキュメント修正などさまざまな貢献方法がある
• LLVMの標準的な貢献プロセスに従う