Расширение SIMD для PowerPC: AltiVec, VMX и Velocity Engine

Введение

Расширение набора инструкций SIMD для PowerPC ISA

AltiVec — это набор инструкций SIMD для операций с числами с плавающей точкой одинарной точности и целыми числами, разработанный и принадлежащий компаниям Apple, IBM и Freescale Semiconductor (ранее подразделение полупроводниковых продуктов Motorola) — альянсу AIM. Он реализован в различных версиях архитектуры процессоров PowerPC, включая процессоры Motorola G4, IBM G5 и POWER6, а также PWRficient PA6T от P. A. Semi. AltiVec является товарным знаком, принадлежащим исключительно Freescale, поэтому система также известна как Velocity Engine (Apple) и VMX (Vector Multimedia Extension) (IBM и P. A. Semi). Хотя AltiVec относится к набору инструкций, реализации в процессорах, производимых IBM и Motorola, различаются с точки зрения логической организации. На сегодняшний день ни одно ядро IBM не включало логическую схему AltiVec, лицензированную у Motorola, и наоборот. AltiVec является стандартной частью спецификации Power ISA v.2.03. До этой спецификации он формально не входил в архитектуру PowerPC, хотя использовал форматы и синтаксис инструкций PowerPC и занимал пространство кодов операций, специально выделенное для этих целей.

Сравнение с x86-64 SSE

И VMX/AltiVec, и SSE имеют 128-битовые векторные регистры, которые могут представлять шестнадцать 8-битовых целых чисел со знаком или без знака, восемь 16-битовых целых чисел со знаком или без знака, четыре 32-битовых целых числа или четыре 32-битовых числа с плавающей точкой. Оба предоставляют инструкции управления кэшем, предназначенные для минимизации загрязнения кэша при работе с потоками данных. Они также имеют важные различия. В отличие от SSE2, VMX/AltiVec поддерживает специальный тип данных RGB "пиксель", но не работает с 64-битными числами двойной точности с плавающей точкой, и нет способа перемещать данные непосредственно между скалярными и векторными регистрами. В соответствии с моделью "загрузка/хранение", присущей RISC-архитектуре PowerPC, векторные регистры, как и скалярные, могут загружаться из памяти и сохраняться в нее. Однако VMX/AltiVec предоставляет гораздо более полный набор "горизонтальных" операций, которые работают со всеми элементами вектора; допустимые комбинации типа данных и операций гораздо шире. Предоставлено 32 128-битовых векторных регистра по сравнению с восемью для SSE и SSE2 (расширенных до 16 в x86-64), и большинство инструкций VMX/AltiVec принимают три операнда-регистра по сравнению с двумя операндами типа регистр/регистр или регистр/память на IA-32. VMX/AltiVec также уникален в своей поддержке гибкой инструкции перестановки векторов, в которой каждый байт результирующего вектора может быть взят из любого байта любого из двух других векторов, параметризованных третьим вектором. Это позволяет выполнять сложные манипуляции в рамках одной инструкции. Последние версии GNU Compiler Collection (GCC), IBM VisualAge и других компиляторов предоставляют встроенные функции для доступа к инструкциям VMX/AltiVec непосредственно из программ на C и C++. Начиная с версии 4, GCC также включает в себя возможности автоматической векторизации, которые пытаются интеллектуально создавать двоичные файлы, ускоренные с помощью VMX/AltiVec, без необходимости программисту использовать встроенные функции напрямую. Введено ключевое слово типа "vector" для объявления нативных векторных типов, например, "vector unsigned char foo;" объявляет 128-битную векторную переменную "foo", содержащую шестнадцать 8-битовых целых чисел без знака. Полный набор арифметических и бинарных операторов определен для векторных типов, что позволяет использовать обычный синтаксис выражений C для манипулирования векторными переменными. Существуют также перегруженные встроенные функции, такие как "vec_add", которые генерируют соответствующий код операции на основе типа элементов внутри вектора, и применяется строгая проверка типов. В отличие от этого, типы данных, определенные Intel для SIMD-регистров IA-32, объявляют только размер векторного регистра (128 или 64 бита) и, в случае 128-битового регистра, содержатся ли в нем целые числа или числа с плавающей точкой. Программист должен выбрать подходящую встроенную функцию для используемых типов данных, например, "mm_add_epi16(x, y)" для сложения двух векторов, содержащих восемь 16-битовых целых чисел.

Both VMX/AltiVec and SSE feature 128 bit vector registers that can represent sixteen 8 bit signed or unsigned chars, eight 16 bit signed or unsigned shorts, four 32 bit ints or four 32 bit floating point variables. Both provide cache control instructions intended to minimize cache pollution when working on streams of data. They also exhibit important differences. Unlike SSE2, VMX/AltiVec supports a special RGB "pixel" data type, but it does not operate on 64 bit double precision floats, and there is no way to move data directly between scalar and vector registers. In keeping with the "load/store" model of the PowerPC's RISC design, the vector registers, like the scalar registers, can only be loaded from and stored to memory. However, VMX/AltiVec provides a much more complete set of "horizontal" operations that work across all the elements of a vector; the allowable combinations of data type and operations are much more complete. Thirty two 128 bit vector registers are provided, compared to eight for SSE and SSE2 (extended to 16 in x86 64), and most VMX/AltiVec instructions take three register operands compared to only two register/register or register/memory operands on IA 32. VMX/AltiVec is also unique in its support for a flexible vector permute instruction, in which each byte of a resulting vector value can be taken from any byte of either of two other vectors, parametrized by yet another vector. This allows for sophisticated manipulations in a single instruction. Recent versions of the GNU Compiler Collection (GCC), IBM VisualAge compiler and other compilers provide intrinsics to access VMX/AltiVec instructions directly from C and C++ programs. As of version 4, the GCC also includes auto vectorization capabilities that attempt to intelligently create VMX/Altivec accelerated binaries without the need for the programmer to use intrinsics directly. The "vector" type keyword is introduced to permit the declaration of native vector types, e. g., "vector unsigned char foo;" declares a 128 bit vector variable named "foo" containing sixteen 8 bit unsigned chars. The full complement of arithmetic and binary operators is defined on vector types so that the normal C expression language can be used to manipulate vector variables. There are also overloaded intrinsic functions such as "vec add" that emit the appropriate opcode based on the type of the elements within the vector, and very strong type checking is enforced. In contrast, the Intel defined data types for IA 32 SIMD registers declare only the size of the vector register (128 or 64 bits) and in the case of a 128 bit register, whether it contains integers or floating point values. The programmer must select the appropriate intrinsic for the data types in use, e. g., " mm add epi16(x,y)" for adding two vectors containing eight 16 bit integers.

История развития

Power Vector Media Extension (VMX) был разработан в период с 1996 по 1998 год совместным проектом компаний Apple, IBM и Motorola. Apple являлась основным заказчиком Power Vector Media Extension (VMX) до перехода на процессоры Intel, основанные на архитектуре x86, 6 июня 2005 года. Он использовался для ускорения мультимедийных приложений, таких как QuickTime, iTunes и ключевых компонентов Mac OS X от Apple, включая графический композитор Quartz. Другие компании, такие как Adobe, использовали AltiVec для оптимизации программ обработки изображений, например Adobe Photoshop. Motorola первой начала поставлять процессоры с поддержкой AltiVec, начиная с линейки G4. AltiVec также применялся в некоторых встраиваемых системах для высокопроизводительной цифровой обработки сигналов. IBM последовательно исключала VMX из своих ранних микропроцессоров POWER, предназначенных для серверных приложений, где его применение было ограничено. Микропроцессор POWER6, представленный в 2007 году, реализовал поддержку AltiVec. Последний настольный микропроцессор от IBM, PowerPC 970 (который Apple называла "G5"), также поддерживал AltiVec с аппаратной частью, аналогичной PowerPC 7400. AltiVec – это зарегистрированная торговая марка Freescale (ранее Motorola) для стандартной векторной части Power ISA v.2.03, включающей в себя в общей сложности 128 регистров. VMX128 не полностью совместим с VMX/AltiVec, поскольку для освобождения места под расширенный набор регистров и дополнительные специализированные операции некоторые целочисленные операции были исключены.

VSX (вектор скалярный расширение)

Power ISA v2.06 представила векторно-скалярные инструкции VSX, расширяющие SIMD-обработку для Power ISA и поддерживающие до 64 регистров, включая операции с числами с плавающей запятой обычной точности, десятичной плавающей запятой и векторное исполнение. POWER7 – первый процессор Power ISA, реализующий Power ISA v2.06. IBM представила новые инструкции для целочисленных операций в рамках расширения VSX в Power ISA 2.07. IBM добавила новые векторные инструкции для целых чисел, использующие кодировку VMX, как часть расширения VSX в Power ISA v3.0. Должны быть внедрены в процессорах POWER9.

Программные приложения

Следующие программные приложения, как известно, используют аппаратное ускорение AltiVec или VMX. Helios имеет нативный порт для POWER9 / POWER10 с поддержкой VMX.