в каком году появилась технология mmx

В каком году появилась технология mmx

MMX (Multimedia Extensions — мультимедийные расширения) — коммерческое название дополнительного набора инструкций, выполняющих характерные для процессов кодирования/декодирования потоковых аудио/видео данных действия за одну машинную инструкцию. Впервые появился в процессорах Pentium MMX. Разработан в лаборатории Intel в Хайфе, Израиль, в первой половине 1990-х. [источник не указан 1000 дней]

Содержание

Предпосылки

Фактически вся история развития компьютеров представляет собой непрерывную гонку между быстродействием центрального процессора и прочих систем — памяти и внешних устройств. Особенно это заметно в системах мультимедиа, где идет обработка звука и изображения, цифровое представление которых занимает большие объемы памяти. Для эффективной обработки звука и видео при относительно низкой пропускной способности системной магистрали (шины) все большее количество функций переносится в аппаратуру — модемы, видео- и звуковые адаптеры. Это вызывает их заметное удорожание в сравнении с общей стоимостью компьютера, что особенно неприятно в обстановке быстрого морального старения всей компьютерной аппаратуры.

Особенно данная проблема стала актуальна в начале 1990-х годов, когда ПК стал доступен широким массам пользователей и все активнее стал превращаться в средство развлечений. Первым процессором, ощутившим нехватку ресурсов для мультимедийных приложений по тому времени стал Pentium.

На самом деле, неспособность ПК с процессором Pentium эффективно обрабатывать в реальном времени звук и видео без специальных карт происходит уже не столько от общего быстродействия процессора или шины, которые в большинстве случаев вполне достаточны, а от характера его набора команд обработки данных, известного под названием CISC. Этот набор, состоящий из относительно сложных арифметико-логических команд, ориентирован на типовые задачи обработки данных, без специальной «заточки» под особые приложения. Эта выгодная для большинства приложений архитектура оказывается совершенно неэффективной при скоростной и специфической обработке больших массивов данных, поскольку сложная система команд используется на считанные проценты, а накладные расходы составляют десятки и сотни процентов.

Технология MMX представляет собой компромиссное решение, объединяющее пути, используемые в компьютерах SPARC и Silicon Graphics (технология RISC — Reduced Instruction Set Computer, компьютер с упрощенным набором команд), а также в компьютерах с параллельной архитектурой (технология SIMD: Single Instruction, Multiple Data — одна команда, много данных): классический процессор Pentium (CISC) с добавлением ряда простых (RISC) команд параллельной обработки данных (SIMD).

Технология MMX

Аббревиатура MMX происходит от выражения MultiMedia eXtension — расширение для мультимедиа, которое реализовано фирмой Intel в своей новой серии процессоров MMX с тактовой частотой 166 МГц и более. Исторически сложилось так, что почти любое новое решение в области персональных компьютеров широко рекламируется и преподносится как эпохальное, сулящее невиданный доселе расцвет компьютерным технологиям. Однако давно известно, что подобные громкие заявления во многих случаях оборачиваются весьма скромным реальным эффектом.

Процессор Pentium MMX отличается от «обычного» Pentium по шести основным пунктам: 1) добавлено 57 новых команд обработки данных; 2) увеличен в два раза объем внутреннего кэш (16 кб для команд и столько же — для данных); 3) увеличен объем буфера адресов перехода (Branch Target Buffer — BTB), используемого в системе предсказания переходов (Branch Prediction); 4) оптимизирована работа конвейера (Pipeline); 5) увеличено количество буферов записи (Write Buffers); 6) введено так называемое двойное электропитание процессора.

Набор из 57 новых команд и является основным отличием; остальные пять — не более, чем сопутствующие изменения. Хотя увеличенный объем кэш и внутренних буферов и оптимизированный конвейер несколько ускоряют работу любых приложений, однако основное увеличение производительности — до 60 % — возможно только при использовании программ, правильно применяющих технологию MMX в обработке данных.

Обработка данных в MMX

Как уже говорилось, в Pentium MMX добавлено 57 новых команд обработки данных и, соответственно — четыре новых типа данных. За одну операцию команда MMX обрабатывает 64-разрядное двоичное слово (так называемое квадраслово, или QWord). Новые типы данных образуются от упаковки в квадраслово обычных типов — байтов (по 8), слов (по 4) или двойных слов (по 2). Четвертый тип представляет собой само квадраслово.

Таким образом, одна элементарная MMX-операция имеет дело либо с одним квадрасловом, что похоже на обычную операцию большой разрядности, либо с двумя двойными словами, четырьмя словами или восемью байтами, причем выполнение происходит одновременно и каждый элемент данных обрабатывается независимо от других. Подобные групповые операции преобладают во время обработки изображения (группы точек) и звука (группы значений амплитуды).

Набор MMX-команд

Набор MMX-команд состоит из команд пересылки данных, упаковки/распаковки, сложения/вычитания, умножения, сдвига, сравнения и поразрядных логических. Команды упаковки и сложения/вычитания могут работать в двух режимах: обычном, когда переполнение разрядной сетки вызывает «заворачивание» (wraparound) значения результата, и специальном, когда оно приводит к ограничению (clipping) результата до минимально или максимально допустимого значения. Режим ограничения в терминологии Intel называется Saturation (насыщение) — в нем особенно удобно выполнять смешивание цветов изображение или амплитуд звуковых сигналов, поскольку при обычном переполнении результат не имеет никакого смысла.

Команда умножения представлена тремя видами: первые два выполняют попарное умножение четырех слов с выбором либо старшей, либо младшей части результата, а третий выполняет операцию вида ab + cd для каждой пары из четырех слов операндов, что очень удобно при вычислении математических рядов.

Команды сдвига реализуют логический и арифметический сдвиги своих операндов (арифметический сдвиг отличается от логического тем, что при сдвиге вправо освободившиеся разряды заполняются копией знакового разряда, а не нулями, отчего он пригоден для умножения/деления знаковых операндов на степени двойки). Логические поразрядные команды выполняют операции И (AND), ИЛИ (OR), Исключающее ИЛИ (XOR), а также комбинированную команду И с инверсией одного из операндов (AND NOT), удобную для реализации «обратного выбора» по битовой маске.

Команды сравнения работают несколько необычно по сравнению с общепринятой логикой: вместо установки признаков для последующих команд перехода они генерируют единичные битовые маски для тех операндов, которые удовлетворяют условию, и нулевые — для остальных операндов. Последующие логические поразрядные операции могут выделить, погасить или как-то иначе обработать отмеченные таким образом операнды, которые в этом случае могут представлять собой точки изображения или отсчеты звукового сигнала.

Особенности реализации MMX

Для обработки данных и хранения промежуточных результатов в Pentium MMX используются восемь 64-разрядных регистров MM0..MM7, которые физически совмещены со стеком регистров математического сопроцессора. При выполнении любой из MMX-команд происходит установка «режима MMX» с отметкой этого в слове состояния сопроцессора (FPU Tag Word). С этого момента стек регистров сопроцессора рассматривается как набор MMX-регистров; завершает работу в режиме MMX команда EMMS (End MultiMedia State). С одной стороны, такая реализация позволила обеспечить нормальную работу приложений, использующих MMX, в многозадачных системах, не поддерживающих эту технологию, поскольку все подобные системы создают собственную копию содержимого стека сопроцессора и слова его состояния для каждого процесса. С другой стороны, переход между режимами занимает значительное время, и совмещение, например, в одном цикле команд сопроцессора с командами MMX может не только не ускорить, а даже существенно замедлить выполнение программы. Поэтому для достижения наилучших результатов рекомендуется группировать эти команды отдельно друг от друга, что на самом деле не представляет никакой сложности.

Производительность MMX

Так как MMX — достаточно узкоспециализированное расширение системы команд процессора, нельзя ожидать кардинального ускорения работы только от самого факта перехода на процессор MMX. Как уже было сказано, на приложениях общего характера, незнакомых с MMX, реальная производительность возрастает лишь на единицы процентов, хотя тесты могут показывать ее возрастание на 20-30 % — это происходит из-за цикличности большинства тестов, когда большая часть цикла попадает в увеличенный внутренний кэш. При использовании «чистого» MMX-кода, удачно подходящего к специфике решаемой задачи, быстродействие переписанного участка может возрасти в 5-6 раз, однако это ускорение будет локальным и неизбежно компенсируется «типовыми» участками программы, поэтому не следует сразу же ожидать от программ, использующих MMX, ускорения работы в разы. По максимальным результатам тестов Intel Media Benchmark и Norton Media Benchmark для Windows 95, обработка изображений с использованием технологии MMX происходит быстрее почти в пять раз, однако в среднем получается примерно 1.5..3-кратное ускорение.

Кстати, одним из классов программ, которым использование MMX сильно помогает, являются игры; однако уже давно не секрет, что сейчас компьютер, «достаточный для игр», во многих случаях существенно превосходит по сложности и стоимости «достаточный для работы», ибо современные игры близки по структуре к сложным операционным системам реального времени. Поэтому в ближайшем будущем все без исключения игры, применяющие анимацию и звук, будут поддерживать (а многие — и требовать) технологию MMX.

Регистры MMX

Расширение MMX включает в себя восемь 64-битных регистров общего пользования MM0—MM7. Для совместимости со способами сохранения состояния процессора в существующих ОС Intel была вынуждена объединить в программной модели процессора восемь регистров MMX с мантиссами восьми регистров FPU (Математический сопроцессор). Аппаратно это могут быть разные устройства, но с точки зрения программиста — это одни и те же регистры. Таким образом, нельзя одновременно пользоваться командами Математического сопроцессора и MMX.

Типы данных MMX

Команды технологии MMX работают с 64-разрядными целочисленными данными, а также с данными, упакованными в группы (векторы) общей длиной 64 бита. Такие данные могут находиться в памяти или в восьми MMX-регистрах.

Команды технологии MMX работают со следующими типами данных:

Синтаксис

MMX-команды имеют следующий синтаксис: instruction [dest, src] Здесь instruction — имя команды, dest обозначает выходной операнд, src — входной операнд.

В систему команд введено 57 дополнительных инструкций для одновременной обработки нескольких единиц данных. Большинство команд имеют суффикс, который определяет тип данных и используемую арифметику:

Новые инструкции включают следующие группы:

MMX в встраиваемых процессорах

Семейство процессоров Intel XScale, начиная с модели PXA270, содержит дополнение к системе команд ARM, называемое iwMMXt, похожее на расширение IA-32 MMX.

Примечания

Инструкции MMX не влияют на флаги условий. Регистры MMX, в отличие от регистров FPU, адресуются физически, а не относительно TOS. Любая инструкция MMX обнуляет поле TOS регистра состояния FPU. Инструкции MMX доступны из любого режима процессора.

См. также

Литература

Ссылки

Это заготовка статьи о компьютерах. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её. Это примечание по возможности следует заменить более точным.

Полезное

Смотреть что такое «MMX» в других словарях:

Mmx — Cette page d’homonymie répertorie les différents sujets et articles partageant un même nom. Sigles d une seule lettre Sigles de deux lettres > Sigles de trois lettres … Wikipédia en Français

MMX — es el acrónimo de MultiMedia eXtensions, un juego de instrucciones introducidas por Intel en sus procesadores Pentium MMX. Su función es mejorar el rendimiento en el procesamiento de las tareas multimedia. Para ello incorporan a los… … Enciclopedia Universal

MMX — may refer to:* MMX (instruction set), a single instruction, multiple data instruction set designed by Intel * Michelson Morley Experiment, the 1887 experiment attempting to find evidence of the luminiferous aether * Mega Man X, a series of video… … Wikipedia

MMX — steht für: Flughafen Malmö, ein Flughafen in Schweden (IATA Code) Michelson Morley Experiment, physikalisches Experiment Mineração e Metálicos S.A., Bergbaufirma von Eike Batista Multi Media Extension, von Intel entworfene Prozessortechnik Das… … Deutsch Wikipedia

MMX — (Multi Media Extensions) improved and very fast Pentium processor for operating multimedia programs … English contemporary dictionary

MMX — DEFINICIJA krat. inform. integrirani sklop Pentium© serije procesora koji poboljšava multimedijalne sposobnosti računala ETIMOLOGIJA engl. Multi media extensions© … Hrvatski jezični portal

MMX — Este artículo o sección necesita referencias que aparezcan en una publicación acreditada, como revistas especializadas, monografías, prensa diaria o páginas de Internet fidedignas. Puedes añadirlas así o avisar al … Wikipedia Español

MMX — Cette page d’homonymie répertorie les différents sujets et articles partageant un même nom. Sigles d’une seule lettre Sigles de deux lettres > Sigles de trois lettres Sigles de quatre lettres … Wikipédia en Français

MMX — ● np. tm. ►PUCE►TM MultiMedia eXtension ou Matrix Math Extensions. Ensemble de 57 instructions incluses en 1997 dans les processeurs Intel à partir du Pentium pour faciliter le traitement du son et des images. Il s agit en gros de l incorporation … Dictionnaire d’informatique francophone

Источник

Популярно об MMX, SSE и AVX

В мире компьютерных технологий нет ничего странного в обилии всевозможных аббревиатур: CPU, GPU, RAM, SSD, BIOS, CD-ROM, и многих других. И почти каждый день появляются всё новые и новые сокращения названий каких-то технологий, что является неизбежным следствием бесконечного стремления инженеров улучшить функции и возможности наших вычислительных устройств.

Сегодня речь пойдёт о таких расширениях набора команд процессоров, как MMX, SSE и AVX. Многим знакомы эти сокращения, и мы выясним, действительно ли это какие-то интересные разработки, или же это не более чем бессмысленные маркетинговые уловки.

Ну о-о-очень первые дни

Середина 80-х прошлого столетия. Рынок процессоров был очень похож на сегодняшний. Intel бесспорно преобладала, но столкнулась с жесткой конкуренцией со стороны AMD. Домашние компьютеры, такие как Commodore 64, использовали базовые 8-битные процессоры, тогда как настольные ПК начинали переходить с 16-битных на 32-битные чипы.

Эти числа означают размер значений данных, которые могут быть обработаны математически, при этом чем выше эти значения, тем выше точность и возможности. Они также определяет размер основных регистров в микросхеме: небольших участков памяти, используемых для хранения рабочих данных.

Такие процессоры являются также скалярными и целочисленными. Что это означает? Скаляр – это когда над одним элементом данных выполняется только одна любая математическая операция. Обычно это обозначается как SISD (single instruction, single data, «одиночный поток команд – одиночный поток данных»).

Таким образом, инструкция по сложению двух значений данных просто обрабатывается для этих двух чисел. А если вам, например, нужно прибавить одно и то же значение к группе из 16 чисел, то для этого потребуется выполнить все 16 наборов инструкций – для каждого числа из этой группы по отдельности. По-другому процессоры тех лет складывать ещё не умели.

Intel 80386DX с частотой 16МГц (1985).

В те времена под инструкциями x86 понимали наборы команд для целочисленных (integer) операций, а под инструкциями x87 – для чисел с плавающей точкой (float). В наши дни все операции умеет выполнять один процессор, поэтому мы используем термин x86 для обозначения набора инструкций обоих типов данных.

Использование отдельных сопроцессоров для обработки разных типов данных было нормой, пока Intel не представила 80486: их первый CPU для персоналок со встроенным математическим сопроцессором для обработки вещественных данных (FPU, Floating Point Unit).

Intel 80486: Жёлтым цветом выделен блок FPU для обработки чисел с плавающей точкой.

Как вы можете видеть, этот блок совсем немного занимает места в процессоре, но рывок в производительности, благодаря этому решению, был огромен.

Но в целом принцип работы оставался скалярным, и таким он перешел и к преемнику 486-го: оригинальному Intel Pentium.

И пройдёт ещё три года после релиза этого первого Пентиума, прежде чем Intel представит миру Pentium MMX. Это произошло в октябре 1996 года.

V – значит «векторный». А MMX что значит?

В мире математики числа можно группировать в наборы различных видов и размеров – одна такая упорядоченная совокупность называется арифметическим вектором. Проще всего представить его себе в виде списка значений, расположенных горизонтально или вертикально. Технология MMX привнесла в мир процессоров возможность выполнять векторные математические вычисления.

Однако она была изначально довольно ограниченной, поскольку оперировала только целыми числами и фактически эксплуатировала для своих целей регистры FPU. Поэтому программисты, желающие использовать какие-то инструкции MMX, вынуждены иметь в виду, что при выполнении таких инструкций любые вычисления с плавающей запятой не могут выполняться одновременно с ними.

FPU Pentium имел 64-битные регистры, и в операциях MMX каждый из них мог вместить два 32-битных, четыре 16-битных или восемь 8-битных целых числа. Именно эти группы чисел и являются векторами, и каждая инструкция, предназначенная для них, будет выполняться сразу над всеми значениями в группе.

Такой принцип получил название SIMD (single instruction, multiple data, «одиночный поток команд, множественный поток данных») и знаменует собой большой шаг вперед в развитии возможностей процессоров для персональных компьютеров.

Ну а какие приложения выигрывают от использования такого принципа? Практически все, которым приходится выполнять одинаковые вычисления над группой однородных данных, и в первую очередь это некоторые функции в 3D-моделировании и мультимедийных технологиях, а также в системах обработки стандартных сигналов.

Например, MMX можно применить для ускорения умножения матриц при обработке вершин в 3D, или для смешивания видеопотоков при работе с хромакеем или альфа-композитингом.

Процессор AMD K6-2 – где-то там есть 3DNow!

К сожалению, внедрение MMX продвигалось довольно медленными темпами из-за негативного влияния этой технологии на производительность операций с плавающей точкой. AMD частично решила эту проблему, создав свою собственную версию под названием 3DNow! примерно через два года после появления MMX. Технология от AMD предлагала больше инструкций SIMD и умела обрабатывать числа с плавающей точкой, но также страдала от недостатка понимания программистами.

Ах, да! Как же официально расшифровывается аббревиатура MMX? Согласно Intel – никак!

Проще пареной SSE

Ситуация переломилась в лучшую сторону с приходом в 1999 году процессора Intel Pentium III. Он принёс с собой блестящую реализацию векторной функции под названием SSE (Streaming SIMD Extensions, «потоковые расширения SIMD»). На этот раз это был дополнительный набор из восьми 128-битных регистров, отдельных от регистров в FPU, и стек дополнительных инструкций для обработки чисел с плавающей точкой.

Использование независимых регистров означает, что больше нет такой сильной зависимости от FPU, хотя Pentium III не мог выполнять инструкции SSE одновременно с инструкциями FP. А также, новая функция поддерживает только один тип данных в регистрах: четыре 32-битных FP-числа.

Но переход к использованию FP-инструкций SIMD позволил значительно увеличить производительность в таких приложениях, как кодирование/декодирование видео, обработка изображений и звука, сжатие файлов и многих других.

Pentium IV: желтым цветом выделен блок регистров SSE2.

Усовершенствованная версия SSE2 появилась в 2001 году вместе с Pentium 4, и на этот раз поддержка типов данных была намного лучше: четыре 32-битных или два 64-битных FP-числа, а также шестнадцать 8-битных, восемь 16-битных, четыре 32-битных или два 64-битных целых числа. Регистры MMX остались в процессоре, но все операции MMX и SSE могли выполняться с использованием независимых 128-битных регистров SSE.

Модификация SSE3 появилась на свет в 2003 году, имея больше инструкций и возможность выполнять некоторые математические вычисления между значениями внутри одного регистра.

Ещё через 3 года мы познакомились с архитектурой Intel Core, принёсшей ещё одну ревизию технологии SIMD (SSSE3 – Supplemental SSE, «расширенные SSE»), и чуть позже в том же году – финальную версию, SSE4.

В 2007 году AMD применила собственную версию расширений CPU-инструкций SSE4 в своей архитектуре Barcelona. С названием в AMD париться не стали, и назвали свою версию просто SSE4a.

С линейкой Nehalem Core в 2008 году было выпущено незначительное обновление этой версии, которую Intel обозначила как SSE4.2 (а под SSE4.1 стали понимать исходную версию этого обновления). Обновления не затронули регистры, а лишь добавили больше инструкций в таблицу, расширив диапазон возможных математических и логических операций.

AMD, со своей стороны, сперва предложила новую версию SSE5, но позже решила разделить ее на три отдельных расширения, одно из которых довольно проблемное – подробнее об этом чуть позже.

К концу 2008 года и Intel, и AMD поставляли процессоры, которые уже могли обрабатывать все версии наборов инструкций от MMX до SSE4.2, и многие приложения (в основном игры) начали требовать этих функций для работы.

Время для новых букв

2008 год также был годом, когда Intel объявила о том, что они работают над значительным апгрейдом своей системы SIMD, и в 2011 году выкатила линейку процессоров Sandy Bridge с поддержкой набора инструкций AVX (Advanced Vector Extensions, «продвинутые векторные расширения»).

Всё удвоилось: вдвое больше векторных регистров и вдвое больше их размер.

Шестнадцать 256-битных регистров вмещают только восемь 32-битных или четыре 64-битных вещественных числа, поэтому в плане форматов данных, этот набор инструкций более ограничен в сравнении с SSE, но ведь и SSE никто не отменял. К тому времени программная поддержка векторных операций для CPU была уже хорошо отлажена, начиная с фундаментального мира компиляторов, заканчивая сложными приложениями.

И не даром: Core i7-2600K (или подобный ему), работающий на частоте 3,8ГГц, потенциально может выдавать более 230 GFLOPS (миллиардов операций с плавающей точкой в секунду) при выполнении инструкций AVX – неплохо для дополнения, относительно немного места занимающего на кристалле процессора.

Или могло бы быть неплохо, если бы он действительно работал на частоте 3,8ГГц. Частично проблема AVX заключалась в том, что нагрузка на чип получалась настолько высокой, что Intel пришлось заставить процессор автоматически снижать тактовую частоту в этом режиме примерно на 20%, чтобы уменьшить энергопотребление и не допустить перегрева. К сожалению, такова цена за выполнение любой работы SIMD в современном процессоре.

Еще одно усовершенствование, предлагаемое в AVX – это возможность работать одновременно с тремя значениями. Во всех версиях SSE операции выполнялись между двумя значениями, после чего результат заменял одно из них в регистре. При выполнении инструкций SIMD AVX не трогает исходные значения, сохраняя результирующее значение в отдельный регистр.

AVX2 был выпущен вместе с архитектурой Haswell для процессоров Core 4-го поколения в 2013 году, и представлял собой довольно значительный апгрейд, благодаря добавлению нового расширения: FMA (Fused Multiply-Add, «умножение-сложение с однократным округлением»).

Эта независимая функция в составе AVX2 была крайне востребована для приложений, работающих с векторной и матричной математикой, поскольку давала возможность выполнять две операции с помощью одной инструкции. Функция поддерживала и скалярные операции также.

Проблема оказалась в том, что FMA от Intel отличался от аналогичного расширения AMD настолько, что они были совершенно несовместимы. Причина в том, что Intel FMA представляет собой систему с тремя операндами, то есть работает с тремя отдельными значениями: два слагаемых и сумма, либо три слагаемых и сумма, замещающая одно из слагаемых.

У версии от AMD четыре операнда, поэтому она может вычислить 3 числа и записать ответ в отдельный регистр, не трогая исходные значения. Математически FMA4 лучше, чем FMA3, но его реализация немного сложнее, как с точки зрения программирования, так и с точки зрения интеграции функции в процессор.

AVX-512: а не многовато-ли?

AVX2 ещё только начал появляться на рынке процессоров, а Intel уже плела маниакальные планы относительно его преемника, AVX-512, и общий настрой среди разработчиков был такой: «больше регистров богу регистров!». Мало того, что этих самых регистров снова вдвое больше, и они снова вдвое увеличились в размере, так ещё и появился стек новых инструкций и поддержка устаревших.

Первой партией чипов, на которых поднялся в воздух набор функций AVX-512, стала серия Xeon Phi 7200 – второе поколение громоздких и очень многоядерных процессоров Intel, ориентированных на рынок суперкомпьютеров.

72-ядерный 288-потоковый Knights Landing Xeon Phi.

В отличие от всех предыдущих реализаций, новый набор векторных инструкций состоял из 19-и компонентов: базового – AVX-512F, – необходимого для обеспечения совместимости, и множества весьма специфических. Эти дополнительные наборы охватывают такие области операций, как обратная математика, целочисленные FMA и алгоритмы свёрточной (конволюционной) нейронной сети (CNN-алгоритмы).

Первоначально AVX-512 был только прерогативой крупнейших чипов Intel, предназначенных для рабочих станций и серверов, но теперь их недавние архитектуры Ice Lake и Tiger Lake также поддерживают его. Да, не удивляйтесь: вы можете купить легкий ноутбук с процессором, имеющим 512-битные векторные блоки.

Это может показаться круто. А может и не показаться – в зависимости от вашей точки зрения. Регистры на кристалле CPU обычно группируются в так называемом регистровом файле, как видно на макрофото ниже.

2-ядерный Intel Skylake

Желтым прямоугольником выделен файл векторных регистров, красный прямоугольник – это наиболее вероятное расположение файла целочисленного регистра. Обратите внимание, насколько файл векторного регистра больше integer-регистра. В Skylake используются 256-битные регистры AVX2, следовательно аналогичный векторный регистровый файл AVX-512 занял бы на таком же кристалле в четыре раза больше места: вдвое больше, потому что вдвое больше их размер, и ещё вдвое – потому что самих регистров вдвое больше.

А очень-ли нужно такое количество векторных регистров маленькому чипу, который должен быть максимально мобильным? Хоть речь и не о лишних килограммах в ноутбуке, а лишь о небольшой части площади ядра процессора, каждый квадратный миллиметр имеет значение, когда речь идет о миниатюризации мобильных устройств и наиболее эффективном использовании доступного пространства в них.

И учитывая, что использование AVX в любом виде приводит к автоматическому уменьшению тактовой частоты, использование AVX-512 на таких платформах скорее всего приведет к ещё более сомнительным издержкам по сравнению с любым из своих предшественников, поскольку при работе он потребляет еще больше энергии.

И проблема AVX-512 не только в применении к небольшим мобильным процессорам. Разработчикам, пишущим код для работы на рабочих станциях и серверах, и для которых увеличение возможностей векторных расширений действительно важный вопрос, потребуется создавать несколько версий кода. Это связано с тем, что не все процессоры с AVX-512 работают с одинаковым набором команд.

Например, набор IFMA (Integer Fused Multiply Add, «целочисленное умножение-сложение с однократным округлением») доступен только на процессорах Cannon, Ice и Tiger Lake. В то время как процессоры на архитектуре Cooper и Cascade Lake его не поддерживают, несмотря на то, что они относятся к сегменту процессоров для серверов и рабочих станций.

Стоит отметить, что AMD не предлагает поддержку AVX-512, и не собирается. По их мнению, обработка массивных векторных вычислений – это прерогатива GPU. С AMD полностью солидарна Nvidia, и обе компании уже выпустили продукты специально для таких нужд.

И дальше что?

Много лет назад процессор с возможностью обработки векторной математики ознаменовал собой эпохальный прорыв. Современные процессоры обладают огромными возможностями, предлагая множество наборов инструкций для обработки целочисленных операций и операций с плавающей запятой для скалярных, векторных и матричных данных.

Что касается последних двух типов данных, то CPU теперь напрямую конкурируют с GPU: ведь мир 3D-графики – это как раз всё, что связано с SIMD, векторами, плавающими точками и т.д. И производители GPU не спали – разработка графических ускорителей велась стремительными темпами. В начале 2010-х годов купить видеокарту, процессор которой способен выполнять почти 800 миллиардов инструкций SIMD в секунду, вы уже могли менее чем за 500 долларов.

Это больше, чем то, на что сейчас способны лучшие из десктопных CPU. Но они и не предназначены для рекордов в какой-то конкретной области – их задача обрабатывать очень обобщенный код, который зачастую не повторяется или легко распараллеливается. Поэтому, не стоит думать, что возможности SIMD столь жизненно-важны для CPU, скорее это полезное дополнение к его арсеналу.

Вас интересует производительность SIMD в чистом виде? Ваш выбор – видеокарта, а не материнка!

Стремительное развитие графических процессоров недвусмысленно намекает, что для CPU нет нужды иметь чересчур большие векторные блоки, и почти наверняка именно поэтому AMD даже не пыталась разрабатывать своего собственного преемника для AVX2 (расширение, которое они используют в своих чипах с 2015 года). Давайте также не будем забывать, что процессоры следующего поколения могут больше походить на мобильные однокристальные (SoC, System-on-a-Chip), где под каждый тип задач выделена площадь на кристалле. Intel, в свою очередь, похоже, стремится внедрить AVX-512 в как можно большее количество продуктов.

Ждёт ли нас ещё и AVX-1024? Вряд ли, либо очень нескоро. Скорее всего, Intel займётся расширением AVX-512 с помощью дополнительных компонентов с инструкциями, чтобы повысить гибкость, а чистую SIMD-производительность переложит на плечи своей недавно разработанной линейки графических процессоров Xe.

Библиотеки SSE и AVX теперь являются неотъемлемой частью программного обеспечения: Adobe Photoshop требует, чтобы процессоры поддерживали как минимум SSE4.2; API машинного обучения TensorFlow требует поддержки AVX; Microsoft Teams может выполнять фоновые видеоэффекты, только если доступен AVX2.

Это говорит только об одном: несмотря на то, что в плане обработки SIMD графическим процессорам нет равных, этот функционал ещё долго будет в арсенале CPU. Так что будем ждать нового поколения векторных расширений и надеюсь, реклама нас впечатлит.

Источник