Fortranを使おう

「いまさらFortran!?」などと言われそうですが、誤解を恐れずに、あえて書くなら、現在普及している高級言語の中でFortranは最も先進的な言語です(ただし数値計算分野に限る)。

簡単にFortranの歴史を書いておきます。
Fortranの生まれは古く、1957年、IBMのJohn Backusにより世界初の高級言語として開発されました。FORmula TRANslatorの名が示すように、Fortranは当初から数値計算を目的としていました。
その後、FORTRAN66、FORTRAN77規格ができ、FORTRAN77は数値計算用言語として多くの研究者に愛用されてきました。そのため、数値計算関連の書籍やライブラリでは、FORTRAN77で書かれた物が数多くあります。
最近、FORTRAN77の問題点を改善し、さらに数値計算特有の機能を強化した Fortran90及びFortran95ができました。ちょっと普及が遅れている気がしますけど。

FORTRAN77

Fortranと言うと、未だにFORTRAN77の印象が強いようです。しかし、ここではっきりと書いておきます。FORTRAN77は既に時代遅れです。もっとひどく言うなら、「古典だ」と言ってしまって差し支えないでしょう。
根本的に、構造化プログラミングをしたくてもできない言語仕様に問題があります。具体的に問題点を指摘すると、以下のような点が挙られると思います。

行番号なしでプログラミングできない
ループブロックを記述できない(goto でループを作るしかない)
構造体がない

いいかげん、FORTRAN77はやめて、Fortran90を使いましょう。

Fortran90/Fortran95

Fortran90では、上記のようなFORTRAN77の欠点がほぼ全て解消されています。それに加えて、数値計算用にベクトル化や並列化に適した構文が追加されています。どんな特徴があるのか、C/C++と比較してみましょう。

配列演算を書きやすい: たぶん、他の言語と比べた時の、Fortranの最も大きな特徴でしょう。特に、多次元配列を扱おうとすると、他の言語を使うのがばからしくなります。
並列性を明示的に書くことができる: FortranのForAll文や、配列演算文を使うと、コンパイラは演算に並列性があることを簡単に解析できます。そのため、コンパイラは自動ベクトル化や自動並列化を行いやすくなります。
可読性が高い: "FORmula TRANslator"と言うぐらいですので、元の数式に近い形でプログラムを書けます。また、配列演算構文を使うことで、何重ものループを書いたりする必要が無くなり、ループだらけで何をやっているのかよくわからない、といったことにもなりません。
豊富な数値計算用ライブラリ: 数値計算に使うライブラリ群は、大抵FortranとC向けに作られています。 NetLib などを見ると、いろいろなライブラリが提供されています。
オブジェクト指向は実装されていない: C++では、オブジェクト指向が使えるようになっています。一方、Fortranでは Fortran2000でオブジェクト指向を実装しようという動きがありますが、まだ標準化されていませんし、対応コンパイラもありません。
オブジェクト指向を使えないのは確かにデメリットですが、そもそも数値計算の場合はオブジェクト指向を使うメリットがあまりないので、あまり気になることは無いように思います。

試しに、f(x,y,z) = 2 g²(x,y,z) - 3 g(x,y,z) + 4 を FortranとCで書いてみましょう。


f(:,:,:) = 2.0*g(:,:,:)**2 - 3.0*g(:,:,:) + 4.0


for(z=0; z<N; z++){

    for(y=0; y<N; y++){

        for(x=0; x<N; x++){

           
f[z][y][x]=2.0*g[z][y][x]*g[z][y][x] - 3.0*g[z][y][x] + 4.0;

        }

    }

}

Fortranでは、配列演算文をつかって簡単に書けます。このような簡単な式では、Fortranのメリットは感じにくいかもしれませんが、式が複雑になるにしたがって、Fortranの方が書きやすくなります。

また、Fortranの配列演算文では、各配列要素を並列に演算可能であることを示します。上記の例では、コンパイラはN³の並列性があることを簡単に解析できます。

リンク(主にコンパイラ)

ひとまずFortran95を試してみたい方は、GCCのgfortranなら無償 & 自由に使えます。

Absoft ProFortran: 商用コンパイラです。Linux(IA32,AMD64,PPC)/MacOS X/Windowsに対応しています。
Compaq Fortran Compiler for Linux Alpha: 今は亡きDECのAlpha用コンパイラです。学術用途であれば無償で使うことができます。
F Compiler: Fortran95から、Fortran77以前の文法を取り除いた、F言語コンパイラです。 Fortran77互換の古い機能を使わなければ、Fortran95コンパイラとして使うことができます。
ソースコードは公開されていませんが、無償で使えます。 Linux/Solaris/Windowsなど、多くの環境で使うことができます。
G95 Project: GPLライセンスなFortran95コンパイラを作ろうというプロジェクトです。活発に開発が続いていて、最近ではFortran95の機能のほとんどが実装されています。
GCC gfortran: GCC-4.0.0から、Fortran95がサポートされました。内部の最適化機構も GCC-3.4からGCC-4.0で大幅に変更され、GCC-4.1でさらに最適化が強化されています。
Linuxで使う場合、私はgcc-4.1.spec のようなSPECファイルを書いて、RPMにして使っています。
Windows版が欲しい人は、GFortran Binaries からインストーラー付きのものをdownloadできます。
IBM XL Fortran for MacOS X: 遂にIBM製のFortranコンパイラがMacOS Xに移植されました。製品版はabsoftから販売されています。CPUメーカー純正のコンパイラということで期待されますが、性能はどうでしょうか?
Intel Fortran Compiler: Intel製のFortranコンパイラです。Fortran77/90/95に対応していて、 Pentium4への最適化や、SSEを使った疑似ベクトル化機能などがあります。
バージョン8.0から、フロントエンドがDigital Fortranのものになったようです。最適化もだいぶ強化されたようで、手元のプログラムはバージョン7.1でコンパイルしたものに比べて1.5倍ぐらいの性能がでるようになりました。
Linux版は、非商用利用であれば無償で使えます。
Lahey/Fujitsu Fortran: 富士通製の商用Fortranコンパイラです。Linux/Solaris/Windows用があります。
NAG Fortran Compiler: 商用コンパイラです。対応プラットフォームが多いのが特徴です。FortranをC 言語のソースに変換しているらしく、性能は裏で走っているCコンパイラ次第のようです。
PathScale Compiler Suite: AMD64用商用コンパイラです。
PGI Fortran Compiler: 商用コンパイラです。IA32/AMD64環境で最速という噂も聞きます。IA32と AMD64プラットフォームをサポートしています。
The Fortran Company: 大胆にも、fortran.comをとってしまった会社。各種コンパイラへのリンク、ライブラリ類のダウンロード、書籍の販売などを行っています。
日本工業標準調査会: 工業規格 JISのページです。JISX-3001-1 「プログラム言語Fortran－第1部：基底言語」として、Fortran95の仕様を入手できます。

おまけ

MPICH2 for Intel compilers: Intel icc/ifort 用の MPICH2です。
mpich2-1.0.1-intel8.src.rpm

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