Extensions SIMD des jeux d'instructions

Cet article décrit les caractéristiques principales des extensions SIMD des jeux d'instructions des microprocesseurs modernes qui ont été introduites et développées depuis les années 1990. Les opérations arithmétiques et logiques effectuées par les instructions scalaires des jeux d'instructions s'effectuent sur la taille maximale des registres des processeurs, 32 ou 64 bits. Or, les programmes peuvent travailler sur des données de taille inférieure, comme les octets (8 bits), les mots de 16 bits, ces données étant signées ou non signées. C'est le cas notamment pour le traitement d'images, le traitement du signal et de nombreuses autres applications. Le principe des instructions SIMD est donc d'utiliser des registres de plus grande taille (128, 256 ou 512 bits) et d'effectuer la même opération sur des vecteurs contenant plusieurs éléments 8 bits, 16 ou 32 bits pour les nombres entiers, 32 ou 64 bits sur les nombres en représentation flottante.

Les caractéristiques de ces extensions sont illustrées à partir des plus utilisées : SSE à SSE4.2, AVX et AVX2 pour les jeux d'instructions IA-32 et Intel 64 d'Intel, Neon et Neon2 d'ARM, Altivec et ses différentes variantes IBM.

Les instructions arithmétiques flottantes ne posent aucun problème. Le problème des retenues pour les instructions arithmétiques entières est détaillé. Les instructions SIMD effectuant la même opération sur tous les éléments d'un vecteur, les structures conditionnelles if-then-else impliquent un traitement particulier. Les instructions mémoire doivent accéder à des éléments situés à des adresses mémoire successives, ce qui implique des traitements particuliers lorsque ce n'est pas le cas. L'exemple classique est le cas de données rangées en mémoire sous forme de tableaux de structures (AoS) qu'il faut transformer en structures de tableaux (SoA) pour permettre des calculs SIMD.

La plupart des instructions SIMD sont des extensions naturelles des instructions scalaires des jeux d'instructions accompagnées des instructions de manipulation de données pour faciliter le traitement SIMD. Ces instructions s'accompagnent d'instructions ad hoc destinées à des applications particulières. Les extensions SIMD ont aussi été appelées extensions multimédias, car elles avaient initialement pour objectif de rendre compétitifs les processeurs généralistes sur les applications multimédias, les applications du traitement de signal et de sécurité. Des exemples typiques d'instructions ad hoc visent la détection de mouvement, le calcul sur les nombres complexes, la cryptographie, etc.

Cet article détaille également comment utiliser ces instructions. Une possibilité est d'aider le compilateur à « vectoriser », c"est-à-dire à les utiliser. L'autre approche consiste à utiliser des intrinsèques à insérer dans un code C ou C++ : ce sont des appels de fonctions aux instructions SIMD à utiliser notamment pour l'arithmétique entière ou lorsque des transformations de haut niveau qui ne sont pas à la portée du compilateur sont nécessaires.

Les extensions 512 bits récentes lèvent certaines limites des extensions SIMD en permettant un traitement partiel des éléments des vecteurs selon un masque et en permettant des accès mémoire à des adresses non consécutives. Ces évolutions rapprochent les extensions SIMD des caractéristiques des processeurs vectoriels des années 1980.