Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Cet article décrit les extensions SIMD des jeux d'instructions des microprocesseurs. Les différentes extensions SSE et AVX de IA-32 et Intel64 (Intel), les extensions Neon d'ARM et les différentes variantes d'IBM (Altivec) sont prises comme exemple. L'article montre les spécificités de l'arithmétique entière, du traitement des structures conditionnelles, des accès mémoire. Il montre comment les extensions comprennent des extensions naturelles des instructions scalaires, et des instructions ad hoc destinées à des applications particulières. Ces instructions s'utilisent soit en aidant le compilateur à «vectoriser», soit en utilisant des intrinsèques, qui sont des appels de fonctions correspondant aux instructions à insérer dans un programme C ou C++.
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This article describes the main characteristics of the SIMD/multimedia extensions that feature in the instruction sets of modern microprocessors. SSE-SSE4, AVX and AVX2 extensions to IA-32/Intel 64 ISAs, Neon extensions to ARM ISA and different IBM extensions (Altivec) are used as examples. The article shows the specifics of integer arithmetic, “if_then_else” implementations and memory accesses. It shows how these extensions include natural extensions of scalar instructions together with ad hoc instructions for particular applications. It describes how to use these instructions, either by helping the compiler to "vectorize" or by using intrinsics, which are function calls corresponding to the SIMD instructions to insert into a C or C++ program.
Auteur(s)
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Daniel ETIEMBLE : Ingénieur INSA Lyon - Professeur émérite à l'université Paris Sud
-
Lionel LACASSAGNE : Ingénieur EPITA - Maître de conférences à l'université Paris Sud
INTRODUCTION
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.
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MOTS-CLÉS
instructions SIMD SSE AVX Neon Alvitec vectorisation intrinsèque
KEYWORDS
SIMD instructions | SSE | AVX | Neon | Alvitec | vectorisation | intrinsèque
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Remarques pour conclure
En anglais
4. Évolution des extensions SIMD
4.1 Nouvelles instructions et exécution plus rapide
L'évolution des extensions SIMD est extrêmement rapide.
Pour les extensions SSE, puis AVX, elle s'est traduite par l'ajout successif de nouvelles instructions pour combler les insuffisances des versions précédentes en utilisant les progrès technologiques permettant d'intégrer toujours plus de transistors, et donc de fonctionnalités dans une puce. Le passage des extensions SSE aux extensions AVX a vu le passage de registres 128 bits à des registres 256 bits.
Elle peut être quelque peu anarchique. Par exemple, à partir de l'extension Altivec, il existe maintenant quatre versions (tableau 1) qui diffèrent par le nombre de registres, la taille des registres et avec plus ou moins d'instructions communes à toutes les versions.
HAUT DE PAGE4.2 SIMD avec masquage et instructions « gather »
Certaines contraintes d'utilisation des instructions SIMD sont incontournables, comme l'absence de dépendances entre itérations ou l'accès mémoire via pointeurs. Par contre, la contrainte d'accès mémoire avec pas unitaire est liée à un problème d'implantation dû au fait que les accès mémoire aux différents niveaux de la hiérarchie se font par ligne de cache. Or, une ligne de cache est constituée de contenus de cases mémoire successives. De même, le fait que les instructions SIMD opèrent simultanément sur tous les éléments des vecteurs est lié à un problème d'implantation. Un traitement partiel implique que les opérations sur les différentes composantes des vecteurs soient contrôlées par un masque de booléens. Comme déjà indiqué, ces deux aspects sont ce qui différencie les instructions SIMD strictes des instructions vectorielles des processeurs de type Cray1. L'extension AVX2 d'Intel commence à réduire la différence.
HAUT DE PAGE4.2.1 Instruction « gather » (AVX2)
L'instruction...
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Évolution des extensions SIMD
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - INTEL - Intel® 64 and IA-32 architectures software developer manuals. - http://www.intel.com/content/www/us/en/ processors/architectures-software- developer-manuals.html (page consultée le 4 décembre 2014).
-
(2) - ALTIVEC - AltiVec technology programming interface manual. - (1999). http://www.freescale.com/files/32bit/doc/ ref_manual/ALTIVECPIM.pdf (page consultée le 4 décembre 2014).
-
(3) - ARM Infocenter - The architecture of digital world. - http://www.infocenter.arm.com/help/ index.jsp (page consultée le 4 décembre 2014).
-
(4) - KUAH (K.) - Motion estimation with Intel® streaming SIMD extensions 4 (Intel® SSE4). - Intel software solutions group (2008). https://www.software.intel.com/en-us/ articles/motion-estimation-with-intel- streaming-simd-extensions-4-intel-sse4 (page consultée le 4 décembre 2014).
-
(5) - SIEWERT (S.) - Using Intel® streaming SIMD extensions and intel® integrated performance primitives to accelerate algorithms. - Inter developer zone (2009). https://www.software.intel.com/en-us/...
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