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
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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
Glossaire – Définitions
En anglais
5. Remarques pour conclure
En un peu moins de 20 ans, les extensions SIMD ont connu une évolution rapide et sont la technique la plus efficace pour accélérer l'exécution d'un programme avec des calculs réguliers dans un monoprocesseur ou dans des architectures matérielles avec de plus en plus de cœurs par puce multi-cœur. De la motivation initiale d'accélérer les applications multimédias, d'où le nom d'instructions multimédias utilisé dans les premiers temps, elles sont devenues à la fois une extension ressemblant de plus en plus aux instructions vectorielles des machines vectorielles de type Cray1 d'une part, tout en introduisant des instructions ad hoc permettant aux processeurs généralistes d'être compétitifs dans les domaines du multimédia, du traitement du signal ou de la cryptographie d'autre part.
Les compilateurs sont de plus en plus performants dans l'utilisation de ces instructions. Pour les codes pour lesquels les compilateurs ne peuvent tirer parti de ces instructions, l'utilisation des intrinsèques, ces appels de fonction insérés dans un code C ou C++, permettent aux programmeurs experts de viser des performances optimales. Les concepteurs de bibliothèques spécialisées utilisent ces extensions. En même temps, de la même manière qu'un programmeur ne peut ignorer l'impact des caches sur les temps d'exécution des programmes (voir [H 1 002]), un programmeur doit connaître les caractéristiques des extensions SIMD pour choisir les structures de données permettant au compilateur de « vectoriser » : c'est l'exemple classique du choix « AoS : tableau de structures » ou « SoA : structure de tableaux ».
L'évolution rapide des extensions SIMD, le passage en quelques années de vecteurs de 128 à 256 bits, puis de 256 à 512 bits ne facilite pas la tâche des développeurs. La compatibilité binaire ascendante est assurée de 128 à 256 bits (AVX-256) et sera assurée pour AVX-512, mais ce n'est pas le cas pour la version MIC 512 bits implantée dans le coprocesseur Xeon Phi. Si la compatibilité binaire garantit qu'un binaire s'exécutera toujours sur les machines des futures générations, elle...
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Remarques pour conclure
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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