Advanced Vector Extensions (AVX) — расширение системы команд x86 для микропроцессоров Intel и AMD, предложенное Intel в марте 2008.
AVX предоставляет различные улучшения, новые инструкции и новую схему кодирования машинных кодов.
Улучшения Новая схема кодирования инструкций VEX Ширина векторных регистров SIMD увеличивается с 128 (XMM) до 256 бит (регистры YMM0 — YMM15). Существующие 128-битные SSE-инструкции будут использовать младшую половину новых YMM-регистров, не изменяя старшую часть. Для работы с YMM-регистрами добавлены новые 256-битные AVX-инструкции. В будущем возможно расширение векторных регистров SIMD до 512 или 1024 бит. Например, процессоры с архитектурой Xeon Phi уже в 2012 году имели векторные регистры (ZMM) шириной в 512 бит, и используют для работы с ними SIMD-команды с MVEX- и VEX-префиксами, но при этом они не поддерживают AVX. Неразрушающие операции. Набор AVX-инструкций использует трёхоперандный синтаксис. Например, вместо можно использовать , при этом регистр остаётся неизменённым. В случаях, когда значение используется дальше в вычислениях, это повышает производительность, так как избавляет от необходимости сохранять перед вычислением и восстанавливать после вычисления регистр, содержавший , из другого регистра или памяти. Для большинства новых инструкций отсутствуют требования к выравниванию операндов в памяти. Однако рекомендуется следить за выравниванием на размер операнда во избежание значительного снижения производительности. Набор инструкций AVX содержит в себе аналоги 128-битных SSE-инструкций для вещественных чисел. При этом, в отличие от оригиналов, сохранение 128-битного результата будет обнулять старшую половину YMM-регистра. 128-битные AVX-инструкции сохраняют прочие преимущества AVX, такие как новая схема кодирования, трехоперандный синтаксис и невыровненный доступ к памяти. Intel рекомендует отказаться от старых SSE-инструкций в пользу новых 128-битных AVX-инструкций, даже если достаточно двух операндов..
Новая схема кодирования Новая схема кодирования инструкций VEX использует VEX-префикс. В настоящий момент существуют два VEX-префикса, длиной 2 и 3 байта. Для 2-байтного VEX-префикса первый байт равен 0xC5, для 3-байтного — 0xC4.
В 64-битном режиме первый байт VEX-префикса уникален. В 32-битном режиме возникает конфликт с инструкциями LES и LDS, который разрешается старшим битом второго байта, он имеет значение только в 64-битном режиме, через неподдерживаемые формы инструкций LES и LDS.
Длина существующих AVX-инструкций, вместе с VEX-префиксом, не превышает 11 байт. В следующих версиях ожидается появление более длинных инструкций.
Новые инструкции Инструкция Описание VBROADCASTSS, VBROADCASTSD, VBROADCASTF128 Копирует 32-, 64- или 128-битный операнд из памяти во все элементы векторного регистра XMM или YMM. VINSERTF128 Замещает младшую или старшую половину 256-битного регистра YMM значением 128-битного операнда. Другая часть регистра-получателя не изменяется. VEXTRACTF128 Извлекает младшую или старшую половину 256-битного регистра YMM и копирует в 128-битный операнд-назначение. VMASKMOVPS, VMASKMOVPD Условно считывает любое количество элементов из векторного операнда из памяти в регистр-получатель, оставляя остальные элементы несчитанными и обнуляя соответствующие им элементы регистра-получателя. Также может условно записывать любое количество элементов из векторного регистра в векторный операнд в памяти, оставляя остальные элементы операнда памяти неизменёнными. VPERMILPS, VPERMILPD Переставляет 32- или 64-битные элементы вектора согласно операнду-селектору (из памяти или из регистра). VPERM2F128 Переставляет 4 128-битных элемента двух 256-битных регистров в 256-битный операнд-назначение с использованием непосредственной константы (imm) в качестве селектора. VZEROALL Обнуляет все YMM-регистры и помечает их как неиспользуемые. Используется при переключении между 128-битным режимом и 256-битным. VZEROUPPER Обнуляет старшие половины всех регистров YMM. Используется при переключении между 128-битным режимом и 256-битным.
Также в спецификации AVX описана группа инструкций PCLMUL (Parallel Carry-Less Multiplication, Parallel CLMUL) PCLMULLQLQDQ xmmreg, xmmrm [rm: 66 0f 3a 44 /r 00] PCLMULHQLQDQ xmmreg, xmmrm [rm: 66 0f 3a 44 /r 01] PCLMULLQHQDQ xmmreg, xmmrm [rm: 66 0f 3a 44 /r 02] PCLMULHQHQDQ xmmreg, xmmrm [rm: 66 0f 3a 44 /r 03] PCLMULQDQ xmmreg, xmmrm, imm [rmi: 66 0f 3a 44 /r ib]
Применение Подходит для интенсивных вычислений с плавающей точкой в мультимедиа-программах и научных задачах. Там, где возможна более высокая степень параллелизма, увеличивает производительность с вещественными числами.
Поддержка Math Kernel Library
Поддержка в операционных системах Использование YMM-регистров требует поддержки со стороны операционной системы. Следующие системы поддерживают регистры YMM:
Linux: с версии ядра 2.6.30, released on June 9, 2009. Windows 7: поддержка добавлена в Service Pack 1 Windows Server 2008 R2: поддержка добавлена в Service Pack 1
Микропроцессоры с AVX Intel: Процессоры с микроархитектурой Sandy Bridge, 2011. Процессоры с микроархитектурой Ivy Bridge, 2012. Процессоры с микроархитектурой Haswell, 2013. Процессоры с микроархитектурой Broadwell, 2015. Процессоры с микроархитектурой Skylake, 2015. Процессоры с микроархитектурой Kaby Lake, 2017. Процессоры с микроархитектурой Coffee Lake, 2017. AMD: Процессоры с микроархитектурой Bulldozer, 2011. Процессоры с микроархитектурой Piledriver, 2012. Процессоры с микроархитектурой Steamroller, 2014. Процессоры с микроархитектурой Excavator, 2015. Процессоры с микроархитектурой Zen, 2017. Процессоры с микроархитектурой Zen 2, 2019. Процессоры с микроархитектурой Zen 3, 2020. Процессоры с микроархитектурой Zen 4, 2022.
Совместимость между реализациями Intel и AMD обсуждается в этой статье.
Микропроцессоры с AVX2 Intel Haswell Intel Broadwell Intel Skylake Intel Kaby Lake Intel Coffee Lake Intel Comet Lake Intel Rocket Lake Intel Alder Lake AMD Excavator AMD Zen (AMD Ryzen) AMD Zen 2 (AMD Ryzen) AMD Zen 3 (AMD Ryzen)
AVX-512
AVX-512 расширяет систему команд AVX до векторов длиной 512 бит при помощи кодировки с префиксом EVEX. Расширение AVX-512 вводит 32 векторных регистра (ZMM), каждый по 512 бит, 8 регистров масок, 512-разрядные упакованные форматы для целых и дробных чисел и операции над ними, тонкое управление режимами округления (позволяет переопределить глобальные настройки), операции broadcast (рассылка информации из одного элемента регистра в другие), подавление ошибок в операциях с дробными числами, операции gather/scatter (сборка и рассылка элементов векторного регистра в/из нескольких адресов памяти), быстрые математические операции, компактное кодирование больших смещений. AVX-512 предлагает совместимость с AVX, в том смысле, что программа может использовать инструкции как AVX, так и AVX-512 без снижения производительности. Регистры AVX (YMM0-YMM15) отображаются на младшие части регистров AVX-512 (ZMM0-ZMM15), по аналогии с SSE и AVX регистрами.
Используeтся в Intel Xeon Phi (ранее Intel MIC) Knights Landing (версия AVX3.1), Intel Skylake-X, Intel Ice Lake, Intel Tiger Lake, Intel Rocket Lake. Также поддержка AVX-512 имеется в производительных ядрах Golden Cove процессоров Intel Alder Lake, однако энергоэффективные ядра Gracemont её лишены. По состоянию на декабрь 2021 г. поддержка AVX-512 для потребительских процессоров Alder Lake официально не заявляется.
Будущие расширения Схема кодирования инструкций VEX легко допускает дальнейшее расширение набора инструкций AVX. В следующей версии, AVX2, добавлены инструкции для работы с целыми числами, FMA3 (увеличил производительность при обработке чисел с плавающей запятой в 2 раза), загрузку распределенного в памяти вектора (gather) и прочее.
Различные планируемые дополнения системы команд x86: AES CLMUL Intel/AMD FMA3 AMD FMA4 AMD XOP AMD CVT16
В серверных процессорах поколения Broadwell добавлены расширения AVX 3.1, а в серверных процессорах поколения Skylake — AVX 3.2.
Примечания
Ссылки Intel Advanced Vector Extensions Programming Reference (319433-011)(pdf) Использование Intel AVX: пишем программы завтрашнего дня Приемы использования масочных регистров в AVX512 коде
Категория:Расширения архитектуры x86 Категория:Инструкции x86