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1 - JEUX D’INSTRUCTIONS

2 - INSTRUCTIONS SIMD ET INSTRUCTIONS VECTORIELLES

3 - ÉVOLUTION DES EXTENSIONS SIMD

4 - EXTENSIONS VECTORIELLES

5 - TAILLE DES REGISTRES SIMD/VECTORIELS ET SYSTÈME MÉMOIRE

6 - REMARQUES POUR CONCLURE

Article de référence | Réf : H1202 v1

Extensions vectorielles
Jeux d’instructions : extensions SIMD et extensions vectorielles

Auteur(s) : Daniel ETIEMBLE, Lionel LACASSAGNE

Relu et validé le 05 janv. 2021

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RÉSUMÉ

Les extensions SIMD sont présentes dans de nombreux jeux d’instructions. Alors qu’Intel a continué à étendre la taille des registres à 512 bits avec les instructions SIMD correspondantes, ARM a arrêté l’évolution de l’extension SIMD Neon et opté pour l’extension vectorielle SVE. Enfin RISC-V privilégie l’extension vectorielle. Les différences entre extensions SIMD et vectorielles sont présentées, ainsi que les dernières évolutions du SIMD Intel et les extensions vectorielles SVE et RISC-V.

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ABSTRACT

Instruction sets: SIMD and vector extensions

SIMD extensions are present in many instruction sets. While Intel has continued to expand to 512-bit the size of the SIMD registers with the corresponding SIMD instructions, ARM has stopped the evolution of its SIMD Neon and opted for the SVE vector extension. RISC-V favors the vector extension. The differences between SIMD and vector extensions are presented, as well as the latest developments in Intel SIMD and the vector extensions SVE and RISC-V.

Auteur(s)

  • Daniel ETIEMBLE : Ingénieur de l’INSA de Lyon - Professeur émérite à l’université Paris Saclay

  • Lionel LACASSAGNE : Ingénieur EPITA - Professeur à Sorbonne Université

INTRODUCTION

Depuis la seconde moitié des années 1990, les principaux jeux d’instructions (Intel IA32 et Intel 64, ARM, IBM, etc.) ont introduit des extensions SIMD. Les caractéristiques essentielles ont été présentées dans l’article [H 1 200]. Si Intel a continué à augmenter la taille des registres SIMD de 64 bits à 128, 256 et 512 bits, les autres extensions ont toujours des registres SIMD de 128 bits. Au lieu d’étendre l’extension Neon à 256 bits, ARM a choisi de définir une nouvelle extension appelée SVE (Scalable Vector Extension) qui est de fait une extension vectorielle.

Nous présentons la différence entre les extensions SIMD et les extensions vectorielles. Dans une extension SIMD, pour une opération donnée, il y a une instruction différente pour chaque taille de registre SIMD, pour chaque taille (8, 16, 32, 64 bits) et chaque type de données (entiers signés ou non signés, flottants). Dans une extension vectorielle, il y a une seule instruction par opération : des registres de longueur vectorielle et de configuration définissent la longueur des registres vectoriels, la nature des éléments et le nombre d’éléments sur lesquels porte l’opération définie par l’instruction. Sur le benchmark DAXPY, le nombre d’instructions du benchmark (code statique) et le nombre d’instructions exécutées sont comparés.

L’évolution des extensions SIMD est examinée. En plus de l’augmentation de la taille des registres (256 bits pour AVX en 2008, 512 bits pour AVX-512 en 2013), les extensions Intel ont vu l’introduction de caractéristiques vectorielles que l’on trouvait dans les machines vectorielles comme le Cray-1 (1976). AVX-2 introduit les instructions gather et scatter, qui permettent des accès mémoire avec des pas non unitaires alors que le SIMD pur ne permet que d’accéder à des mots mémoire successifs. AVX-512 introduit les instructions avec masque, c’est-à-dire que l’instruction opère en fonction d’un registre de masque, permettant de sélectionner les éléments sur lesquels porte l’opération. L’évolution des extensions SIMD Intel se traduit par une très grande augmentation du nombre d’instructions. La taille variable des instructions Intel le permet, au prix d’une augmentation du nombre d’octets des instructions (2 à 3 pour AVX, 4 pour AVX-512). Par contre, c’est un problème pour les jeux d’instructions de taille fixe, comme ARM, pour lesquels le nombre de codes opération est limité.

Les deux principales extensions vectorielles sont présentées : l’extension SVE d’ARM et l’extension vectorielle du jeu d’instructions open source RISC-V. L’organisation des registres vectoriels et des registres de configuration, ainsi que les grandes classes d’instructions sont détaillées.

L’approche vectorielle utilise beaucoup moins d’instructions. Un autre avantage est qu’elle est définie « from stratch », sans tenir compte du passé (compatibilité binaire ascendante). C’est la possibilité d’opérer sur des registres vectoriels plus longs qui lui donne un avantage significatif. Pour le programmeur, il n’y a pas de différence notable car la tâche du compilateur est très semblable, qu’elle vise des instructions SIMD ou des instructions vectorielles. En effet, la difficulté réside dans la transformation d’un code scalaire en code SIMD ou vectoriel (« vectorisation »), plus que dans le choix des instructions SIMD ou vectorielles adéquates.

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KEYWORDS

instruction sets   |   RISC-V   |   SIMD extension   |   vector extension

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-h1202


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4. Extensions vectorielles

Les exemples significatifs d’extension vectorielle dans les jeux d’instructions généralistes sont :

  • l’extension SVE (Scalable Vector Extension) dans l’architecture AAarch64 d’ARM ;

  • l’extension vectorielle du jeu d’instructions open source RISC-V.

4.1 Extension SVE

HAUT DE PAGE

4.1.1 Registres SVE

L’ensemble des registres SVE est présenté dans la figure 8, extraite de

Trois types de registres sont définis :

  • 32 registres vectoriels (Z0 à Z31) dont la longueur, dépendant de l’implantation matérielle, est définie par un des trois registres de contrôle (ZCR) selon le niveau d’exécution. La longueur est un multiple (LEN) de 128 bits, avec LEN de 1 à 16 pour un maximum de 2 048 bits. Les 128 bits de poids faible sont mappés sur les registres SIMD V0 à V31 de Neon. Des longueurs non-puissance de 2 sont permises pour certaines implémentations. Les registres vectoriels peuvent contenir des entiers 8, 16, 32 et 64 bits et des flottants 32 bits et 64 bits ;

  • 17 registres de prédicats. Les registres P0 à P7 contiennent LEN * 16 bits, de manière à ce que chaque octet d’un mot de 128 bits puisse être contrôlé. Ils contrôlent quels mots d’un registre sont actifs et permettent l’écriture des résultats. Les registres P8 à P15 sont utilisés pour l’arithmétique et la manipulation des prédicats. Le registre FFR (First Fault Register) est utilisé pour permettre des accès mémoire (load) spéculatifs ;

  • les 3 registres ZCR sont des registres de contrôle, définissant la longueur des registres Z, P0 à P15 et FFR, avec trois niveaux de privilèges.

La figure 9 ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - PATERSON (D.), WATERMAN (A.) -   SIMD instructions considered harmful,  -  ACM Sigarch, Computer Architecture To-day, Sep 18, (2017). https://www.sigarch.org/csimd-instructions-considered-harmful/

  • (2) - KANTER (D.) -   ARM chooses Variable-Length Vectors,  -  Microprocessor Report, January 30, (2017). https://www.linleygroup.com/mpr/article.php?id=11753

  • (3) - RUSSEL (R. M.) -   The Cray-1 computer system,  -  in Communications of the ACM, January 1978, Volume 21, Number 1, pp 63-72, https://people.eecs.berkeley.edu/~kubitron/cs252/handouts/papers/cray1.pdf

  • (4) -   CRAY-1 Computer System,  -  Hardware Reference Manual 2240004, http://ed-thelen.org/comp-hist/CRAY-1-HardRefMan/CRAY-1-HRM.html

  • (5) - INTEL -   Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals,  -  Volume 2, https://software.intel.com/en-us/articles/intel-sdm

  • ...

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