在1980年代，超級計算機(jī)的外觀所示。而Cray的半圓形則是80年代超級計算機(jī)的代名詞。那就是一臺超級計算機(jī)的樣子。

在一篇寫RISC-V的文章里，我們提到過去的超級計算，這兩者之間有什么關(guān)系？主要是因為，我們提到的Cray計算機(jī)，也被稱為矢量處理機(jī)——一種已經(jīng)被拋棄的“老古董”。

然而，RISC-V卻將Cray風(fēng)格的矢量處理重新帶回來，并認(rèn)為它應(yīng)該替代SIMD（單指令多數(shù)據(jù)），這是否是一個異端？

這樣大膽而又不同的策略肯定需要一些解釋。為什么RISC-V設(shè)計師會采用與競爭對手x86，ARM，MIPS等完全不同的方法？

像往常一樣，我們需要繞道而行，以解釋這些技術(shù)究竟是什么以及它們有何不同。盡管SIMD指令排在最后，但我相信從SIMD開始更容易掌握矢量處理指令。

什么是SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）？

無論是基于x86還是基于ARM的大多數(shù)微處理器，在其中都提供了我們所謂的SIMD指令。您可能聽說過MMX，SSE，AVX-2和AVX-512。而ARM有自己的高級SIMD和SVE。

這些指令允許您執(zhí)行的操作是將相同的操作應(yīng)用于多個元素。我們可以將它與SISD（單指令單數(shù)據(jù)）進(jìn)行對比，后者僅在單個元素之間執(zhí)行操作。下圖是對此的簡單說明：

我們可以編寫一些簡單的代碼來說明差異，以下是SISD的示例。我們也可以稱其為標(biāo)量（單個值）上的操作：

3 + 4 = 7

4 * 8 = 32

SIMD是關(guān)于向量（多個值）的操作：

［3，2，1］ + ［1，2，2］ = ［4，4，3］

［3，2，1］-［1，2，2］ = ［2，0，-1］

讓我更詳細(xì)地了解一些用于SISD的偽匯編代碼（pseudo assembly code）。在這種情況下，我們要添加兩個數(shù)組，每個數(shù)組包含兩個元素。每個元素都是32位整數(shù)。一個從地址14開始，另一個從地址24開始：

load r1，14

load r2，24

add r3，r1，r2; r3←r1 + r2

load r1，18

load r2，28

add r4，r1，r2; r4←r1 + r2

使用SIMD，我們可以加載多個值并執(zhí)行多個加法：

vload.32 v1、14 vload.32

v2、24

vadd.i32 v3，v1，v2; v3←v1 + v2

通常將向量和SIMD指令加上前綴v以將它們與標(biāo)量指令分開。約定各不相同，但這是受ARM啟發(fā)的，.32后綴表示我們要加載多個32位值。假設(shè)我們的向量寄存器v1和v2是64位，則意味著每次load兩個元素。

該vadd指令的.i32后綴表示我們要添加32位帶符號整數(shù)。我們本來可以用來.u32表示無符號整數(shù)。

當(dāng)然，這是一個完全不現(xiàn)實的示例，因為沒有人會對這幾個元素使用SIMD。更現(xiàn)實的是，我們將對16個元素進(jìn)行操作。

SIMD如何工作？

我們對SIMD指令的工作方式進(jìn)行了高級描述。但是實際上，它們是如何在CPU級別處理的？執(zhí)行SIMD指令時，CPU內(nèi)部發(fā)生了什么？

在下面，您可以看到RISC微處理器的簡化圖。

您可以將彩色條視為將數(shù)據(jù)推入CPU的不同部分的管道。我們在這里的主要興趣是藍(lán)色的東西，它們推動了我們操作的數(shù)據(jù)以及通過系統(tǒng)的指令。綠色管道是存儲單元的地址位置。

在一個簡單的微處理器中，您只有一個算術(shù)邏輯單元（ALU）。這樣的處理器的一個例子是在Commodore 64中使用的6502。ALU類似于CPU的計算器。它可以加減數(shù)字，它使用兩個數(shù)字作為輸入，然后將它們相加或相減，然后將輸出到底部。輸入來自寄存器，輸出返回到寄存器（具有您要操作的保持編號的內(nèi)存單元）。

要將我們的CPU變成可以同時處理數(shù)十個數(shù)字的執(zhí)行SIMD的怪物，我們需要進(jìn)行一些更改。以下是升級的簡化示例，該升級允許同時將兩個數(shù)字相加。請注意，我們僅顯示與寄存器和ALU相關(guān)的部分。

v1，v2而v3就是我們所說的向量寄存器。它們分為不同的部分，顯示為v1?和v1?。我們可以將向量的每個部分或元素輸入到單獨(dú)的ALU中。這使我們可以同時執(zhí)行多個添加。對于真正的CPU，我們不只是添加一個額外的ALU。我們加一打。實際上，我們變得更加瘋狂，我們添加了十二個乘法器和其他功能單元，它們能夠執(zhí)行CPU的所有不同操作。對于非常簡單的CPU，您沒有乘法器，因為您可以通過重復(fù)的加法和移位（加和減數(shù)字）來模擬乘法。

我們?nèi)绾潍@得SIMD

那么這些SIMD指令是如何產(chǎn)生的呢？快速的圖像處理的需求是起點(diǎn)。圖像中的每個像素由四個8位值（RGBA）組成，需要將其視為單獨(dú)的數(shù)字。為數(shù)百萬個像素分別添加這些值很慢。SIMD指令是提高此類任務(wù)性能的明顯方法。

每個像素由四個分量組成：紅色，綠色，藍(lán)色和Alpha值。每個都是一個字節(jié)，應(yīng)分別計算。如果32位寄存器是具有4個組件的向量寄存器，則可以執(zhí)行此操作。

SIMD還用于GPU內(nèi)部，因為它們會添加位置向量，相乘矩陣。復(fù)合像素顏色值等。

SIMD的好處

雖然很難并行執(zhí)行代碼，但是，當(dāng)處理諸如圖像，幾何，機(jī)器學(xué)習(xí)和大量科學(xué)計算之類的事情時，對數(shù)據(jù)的多個元素執(zhí)行相同的操作相當(dāng)簡單。

換而言之，SIMD為我們提供了一種輕松加快這些計算速度的方法。如果可以只執(zhí)行一條指令就可以加8個數(shù)字，那么基本上可以實現(xiàn)8倍的加速。因此，多年來x86和ARM微處理器堆積在大量SIMD指令上就不足為奇了。

GPU基本上包含執(zhí)行大量SIMD計算的核心存儲區(qū)。這就是大大提高了圖形性能的原因，也是為什么科學(xué)代碼越來越多地使用GPU的原因。

但是，如果SIMD如此出色，為什么RISC-V放棄它并進(jìn)行向量處理呢？更具體地說，他們沒有添加SIMD指令集擴(kuò)展，而是添加了Vector指令集擴(kuò)展。

SIMD指令存在的問題

RISC-V設(shè)計師David Patterson和Andrew Waterman寫了一篇文章：SIMD指令被認(rèn)為有害。

這是一本有趣的文章，但是它比我在這里更深入地介紹了技術(shù)。Patterson和Waterman描述了問題：

就像阿片類藥物一樣，SIMD的起點(diǎn)足夠純凈。架構(gòu)師將現(xiàn)有的64位寄存器和ALU分為許多8位，16位或32位塊，然后對其并行進(jìn)行計算。操作碼提供數(shù)據(jù)寬度和操作。數(shù)據(jù)傳輸只是單個64位寄存器的加載和存儲。誰會反對呢？

但這是一種推托：

自1978年以來，IA-32指令集已從80條增加到大約1400條，主要是由SIMD推動的。

因此，x86和ARM的規(guī)范和手冊非常龐大。相反，您可以在一張雙面紙上獲得所有最重要的RISC-V指令的概述。這對于那些用硅制造芯片的人以及那些制造匯編器和編譯器的人有影響，對SIMD指令的支持通常會在以后添加。

RISC-V的設(shè)計者希望有一個實用的CPU指令集，該指令集可用于長時間教學(xué)。在RISC-V到來之前，他們使用的是在商業(yè)界不再受追捧的MIPS，因為學(xué)術(shù)界不希望其教學(xué)是基于行業(yè)的潮流和炒作。大學(xué)強(qiáng)調(diào)教學(xué)知識的持久性。這就是為什么他們更愿意講授數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，而不是說如何使用調(diào)試工具或IDE。

因此，SIMD的發(fā)展是站不住腳的。每隔幾年就會有新的說明。沒有什么是非常耐用的。因此，Patterson 和Waterman認(rèn)為：

向量架構(gòu)是一種較舊的，更優(yōu)雅的利用數(shù)據(jù)級并行性的替代方法。向量計算機(jī)從主存儲器中收集對象，并將其放入順序的長向量寄存器中。

回到Cray樣式的矢量處理？

因此，RISC-V設(shè)計人員使用矢量指令而不是SIMD指令創(chuàng)建了擴(kuò)展。但是，如果這樣好得多，為什么它沒有更早發(fā)生，為什么矢量處理在過去就不受歡迎了？

在回答任何一個問題之前，我們需要實際了解什么是向量處理。

向量與SIMD處理

理解差異的最好方法是查看一些C / C ++代碼。在SIMD中，向量是固定大小的，并被視為固定長度類型，如下所示：

struct Vec3 {

int x0;

int x1;

int x2;

};

struct Vec4 {

int x0;

int x1;

int x2;

int x4;

};

這意味著矢量加法函數(shù)處理的是固定長度：

Vec3 vadd3（Vec3 v1，Vec3 v2）{

return Vec3（v1.x0 + v2.x0，

v1.x1 + v2.x1，

v1.x2 + v2.x2）;

}

我們能想到的Vec3，Vec4并vadd3為現(xiàn)有的硬件。但是，開發(fā)人員需要更高級別的功能，并且可以組合以下操作以創(chuàng)建更多通用功能：

void vadd（int v1 ，int v2 ，int n，int v3 ）{

int i = 0;

while（i

u = Vec3（v1 ［i］，v1 ［i + 1］，v1 ［i + 3］）;

v = Vec3（v2 ［i］，v2 ［i + 1］，v2 ［i + 3］）;

w = vadd3（u，v）; //efficient vector operation

v3 ［i］ = w.x0;

v3 ［i + 1］ = w.x1;

v3 ［i + 2］ = w.x2;

i+ = 3;

}

}

您可以將其視為偽代碼（pseudo-code）。要了解的一點(diǎn)是，您可以在處理較小固定長度向量的函數(shù)上構(gòu)建功能來處理任何長度的向量。

像使用老式Cray超級計算機(jī)一樣進(jìn)行矢量處理，這實際上是RISC-V人士提出的，就是將諸如vadd硬件之類的功能。

那這實際上是什么意思呢？

向量處理在硬件中的實現(xiàn)

這意味著在內(nèi)部，我們?nèi)匀豢梢栽谀承┕潭▽挾仁噶可线\(yùn)行SIMD單元。但這不是匯編程序員所看到的。相反，就像vadd匯編代碼一樣，指令也不限于特定的向量長度。程序員可以將特殊的狀態(tài)和控制寄存器（CSR）設(shè)置為他或她正在操作的向量的長度。這有點(diǎn)類似于如何vadd使用n參數(shù)指定向量的長度。

相反，我們得到了一些很長的向量。比SIMD指令使用的向量寄存器長得多。可能有數(shù)百個合適的元素。像我們對SIMD樣式矢量寄存器所做的那樣，為這些元素的每一個創(chuàng)建ALU和乘法器是不切實際的。

向量單元按順序處理元素。當(dāng)前處理的元素將突出顯示。在這里，我們將單對元素。但實際上，我們使用多個ALU并按順序處理多個元素。

相反，當(dāng)CPU讀取一個vadd函數(shù)時會發(fā)生什么，就像我們在偽代碼示例中所做的那樣，它開始遍歷這些大寄存器。這是一個代碼示例：

vsetlen r1 ， 16， 120 ; 120 element vector. Each element 16-bit

vload v1， 14 ; Load 120 elements start at address 14

vload v2， 134 ; Load elements starting at address 123

vadd v3， v1， v2 ; Add all 120 elements.

vstore v3， 254 ; Store result at address 254

在執(zhí)行操作之前，必須通過設(shè)置向量中元素的數(shù)量以及每個元素的大小和類型來配置向量處理器。在此示例中，我將其簡化。我們一直在處理帶符號整數(shù)。但是在實際系統(tǒng)中，您必須能夠指定要處理的是浮點(diǎn)數(shù)以及帶符號的還是無符號的整數(shù)。

vload做什么操作取決于配置。在這種情況下，我們將加載120個元素，每個元素距離內(nèi)存16位寬。

vadd遍歷v1andv2向量寄存器中的所有120個元素。將每個元素相加并將結(jié)果寫入寄存器 v3。為了更好地了解它是如何工作的，讓我們討論一下所涉及的時鐘周期數(shù)。

時鐘周期是微處理器執(zhí)行一項簡單任務(wù)所需要的時間。解碼指令可能需要一個時鐘周期，一個指令要添加兩個數(shù)字。諸如乘法之類的更復(fù)雜的操作可能需要多個時鐘周期。

因為我們有四個ALU，所以我們可以在每個時鐘周期執(zhí)行四個加法運(yùn)算。這意味著vadd需要30個時鐘周期才能完成：

120/4 = 30

這聽起來可能不太好。為什么不使用直接循環(huán)并執(zhí)行這些SIMD指令的匯編程序直接執(zhí)行相同操作。為什么要在硬件中實施必須迭代執(zhí)行的操作？

向量處理的好處

一個主要的好處是我們需要小得多的程序。我們不需要編寫具有多個加載，比較和循環(huán)的程序。

Patterson和Waterman在他們的文章“ SIMD指令被認(rèn)為有害”中提供了一個示例程序進(jìn)行比較。這是他們對程序大小差異的觀察。

MIPS-32 MSA和IA-32 AVX2的代碼的三分之二至四分之三是SIMD開銷，用于為主SIMD循環(huán)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)或在n不等于n的倍數(shù)時處理邊緣元素。SIMD寄存器中的浮點(diǎn)數(shù)。

但是更重要的是，對于矢量指令，您不必繼續(xù)重復(fù)解碼相同的指令。執(zhí)行重復(fù)的條件分支等。在代碼示例中，Patterson和Waterman使用它們來表示，與使用矢量指令的RISC-V版本相比，SIMD程序需要執(zhí)行的指令多10至20倍。

原因是SIMD循環(huán)每次迭代僅處理2到4個元素。在矢量代碼中，假定硬件支持具有64個元素的矢量寄存器。因此，每次迭代處理了64個元素的批處理，從而減少了需要迭代的次數(shù)。

可以在運(yùn)行時查詢最大向量長度，因此不需要對64個元素的大批量大小進(jìn)行硬編碼。

解碼較少的指令會減少功耗，因為解碼和獲取會消耗大量功耗。

此外，我們實現(xiàn)了所有好的界面設(shè)計應(yīng)努力實現(xiàn)的目標(biāo)：隱藏實現(xiàn)細(xì)節(jié)。為什么這么重要？看看USB插頭嗎？當(dāng)USB標(biāo)準(zhǔn)無需物理改變插頭即可提高性能時，我們會喜歡它。

從USB-1到USB-3，我們避免更改接口。我們可以使用相同的電纜。同樣，Vector擴(kuò)展使我們可以在進(jìn)行內(nèi)部改進(jìn)時保持相同的界面。

隨著芯片技術(shù)的改進(jìn)，您可以使用更多的晶體管。您可以使用它來添加更多的ALU和乘數(shù)，以并行處理更多的矢量元素。對于具有SIMD指令的CPU，這意味著您現(xiàn)在可以處理幾百條針對新向量長度的新指令。我們也必須重新編譯程序才能處理這些新添加的長向量，以提高性能。

但使用RISC-V則不需要這樣，因為代碼看起來一樣。唯一的改變是，vadd它將以更少的周期完成，因為它具有更大的SIMD單元，從而可以在每個時鐘周期內(nèi)處理更大數(shù)量的元素。

如果矢量機(jī)如此厲害，為什么會被拋棄？

我想David Patterson在他先前的著作中沒有很好地解釋這個問題——為什么Cray矢量處理機(jī)基本上已經(jīng)淘汰了。

卡車還是賽車？

要了解原因，我們需要了解權(quán)衡。如果您想將最大數(shù)量的貨物從A運(yùn)到B，則基本上可以采用兩種方式。使用賽車以少量貨物來回快速行駛。

或者，您可以使用大型的緩慢移動的卡車，該卡車可以拖運(yùn)大量貨物但移動緩慢。

快速傳送少量數(shù)據(jù)或緩慢傳送大量數(shù)據(jù)？

大多數(shù)通用軟件是由賽車提供。通用程序不容易序列化。他們需要什么數(shù)據(jù)取決于執(zhí)行的指令，有各種各樣的條件分支和對內(nèi)存的隨機(jī)訪問要考慮在內(nèi)。每次訪問倉庫（內(nèi)存）時，您根本無法拿起很多貨物，因為您不知道接下來需要什么。

因此，通用微處理器往往具有較大的快速存儲器高速緩存，因此CPU可以在需要時快速獲得所需的信息（與汽車類似）。

相反，矢量處理器的工作方式與GPU非常相似。他們沒有處理通用程序。通常，它們用于科學(xué)軟件，例如天氣模擬，在其中您需要大量可以并行處理的數(shù)據(jù)。GPU同樣可以并行處理大量像素或坐標(biāo)。

因此，您無需快速移動，因為每次都可以拾取大量數(shù)據(jù)。因此，GPU和矢量機(jī)通常具有較低的時鐘頻率和較小的緩存。相反，他們的內(nèi)存系統(tǒng)設(shè)置為并行獲取大量數(shù)據(jù)。換句話說，它們像卡車一樣移動貨物來移動數(shù)據(jù)。一次很多，但是很慢。

向量機(jī)實際上在pipelines中具有數(shù)據(jù)，因為可以預(yù)測下一個數(shù)據(jù)是什么。

向量處理器很小

當(dāng)然，您可以提高矢量處理器的時鐘頻率，并為它們提供大量的高速緩存，但是，當(dāng)您獲得更多更好的選擇時，又有什么意義呢？您不用花在緩存上的所有晶體管，就可以用來擴(kuò)展并行處理更多元素的能力。此外，瓦特使用率和健康水平也不隨時鐘頻率線性增長。它增長更快。因此，要降低熱預(yù)算，必須降低時鐘頻率。

如果查看Esperanto Technologies的ET-SoC-1解決方案，您會發(fā)現(xiàn)所有這些折衷考慮在內(nèi)。就晶體管數(shù)量而言，它們的SoC大小與Apple的M1 SoC相同。然而，矢量處理內(nèi)核所需的硅要少得多，因為我們的目標(biāo)不是高單線程性能。M1 Firestorm核心是怪獸，因為它們使用了許多晶體管來實現(xiàn)亂序執(zhí)行（OoOE），分支預(yù)測，深層流水線和許多其他功能，以使單線程性能讓你大跌眼鏡。

相比之下，ET-SoC-1可以容納1000個以上實現(xiàn)Vector指令擴(kuò)展的RISC-V CPU內(nèi)核。這是因為矢量處理器可以做得非常?。?/p>

緩存需求最少。

它們是有序的，因此您可以通過不實現(xiàn)復(fù)雜的OoOE控制器邏輯來節(jié)省大量芯片。

較低的時鐘頻率簡化了很多。

因此，如果您可以將問題描述為對大向量的運(yùn)算，那么通過進(jìn)行向量機(jī)設(shè)計，使用相同數(shù)量的晶體管，您可以獲得一些瘋狂的性能提升。

向量處理器吸引了通用計算

但是這里有一個關(guān)鍵：如果無法以這種方式表示您的程序，那么您就陷入了一個痛苦的世界。執(zhí)行不能在大向量上運(yùn)行的常規(guī)桌面軟件將獲得可怕的性能。為什么？

您的時鐘頻率低。您沒有OoOE，并且您的緩存很小。因此，每條需要獲取一些數(shù)據(jù)的指令都必須等待很長時間。這是CrY的問題。它們根本無法用于通用計算。由于使用其他傳統(tǒng)CPU的其他市場價格便宜，而且Cray計算機(jī)上運(yùn)行的許多軟件都可以通過在多核計算機(jī)上運(yùn)行，使用群集或其他方法來很好地完成。

當(dāng)常規(guī)計算機(jī)開始需要矢量處理時，這是用于多媒體應(yīng)用程序的。圖像處理之類的東西。在這種情況下，您通常使用小的短向量。然后，SIMD指令是顯而易見的簡單解決方案。他們非常直接地進(jìn)行設(shè)置。只需添加一些向量寄存器和操作即可。矢量指令需要更多的思考和計劃。您需要設(shè)置矢量長度和元素類型的方法。在程序之間切換時，大的向量對于保存和恢復(fù)是不切實際的。無論如何，這些程序不需要長向量。

因此，與SIMD相比，矢量擴(kuò)展最初沒有明顯的優(yōu)勢。由于矢量處理對于通用計算而言不是很好，因此Esperanto 公司開發(fā)的ET-SoC-1例如具有四個用于通用計算的RISC-V核心，稱為ET-Maxion。這些更像是M1 Firestorm核心：

更大的緩存

智能分支預(yù)測器

多指令解碼器

亂序執(zhí)行

這些將運(yùn)行操作系統(tǒng)并將工作任務(wù)調(diào)度到帶有矢量擴(kuò)展的較小的RISC-V內(nèi)核（ET-minion）。這可能是架構(gòu)選擇的類型，我們將看到更多：混合使用具有不同強(qiáng)度的不同類型的核心。

通用計算不能真正受益于擁有大量內(nèi)核。但是，對于特殊任務(wù)，使用非常規(guī)內(nèi)核要比用于通用計算的大型內(nèi)核好得多。

例如，矢量處理器可以很好地完成所有這些任務(wù)：

機(jī)器學(xué)習(xí)

壓縮圖像，壓縮文件等

密碼學(xué)

多媒體：音頻，視頻

演講和手寫

聯(lián)網(wǎng)。奇偶校驗，校驗和

數(shù)據(jù)庫。哈希/聯(lián)接

因此，給定X晶體管數(shù)量的預(yù)算，要加快這些任務(wù)的執(zhí)行速度，最好選擇矢量處理器設(shè)計，而不是增加更多的通用內(nèi)核。

在這兩種情況下，我都在談?wù)撎O果如何通過使用專用協(xié)處理器來從其M1芯片中提高速度。這就是這個意思。原則上，我們可以簡單地將向量擴(kuò)展名添加到任何RISC-V通用CPU中。但是您可以選擇通過以下方式來定制向量處理的方法：刪除大型緩存，將無序執(zhí)行單元踢到路邊，降低時鐘頻率，使用更簡單的分支預(yù)測器以及擴(kuò)大內(nèi)存訪問范圍（讀取更多數(shù)據(jù)）一次插入數(shù)據(jù)管道）。

如果這樣做的話，您將獲得功耗更低得多的小得多的芯片，與用于快速通用計算的胖芯片相比，矢量處理的性能可能更好。由于它體積小，功耗低，因此可以有很多。

實際上，這只是驗證我先前制作的專用協(xié)處理器案例的另一種方法。

為什么矢量處理器再次出現(xiàn)問題

因此，這使我們可以完整地回到我們一直以來一直試圖回答的內(nèi)容。為什么矢量指令現(xiàn)在有意義，但過去卻被放棄了。

該問題已得到部分回答。SIMD方法使我們陷入困境。但是更重要的是，我們的計算機(jī)現(xiàn)在正在執(zhí)行更多各種各樣的任務(wù)。特別是機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)變得非常龐大。這已成為數(shù)據(jù)中心的主要重點(diǎn)。蘋果并非沒有理由在其iPad和iPhone蘋果硅芯片上添加了神經(jīng)引擎。

Google并非毫無理由地使用Tensor處理單元（TPU）在人群中提供了更高速度的機(jī)器學(xué)習(xí)。由于深度學(xué)習(xí)的興起，處理非常大的陣列又重新投入了業(yè)務(wù)。

因此，我認(rèn)為RISC-V將使用Vector擴(kuò)展而不是SIMD擴(kuò)展是非常明智的舉動。SIMD誕生于一個世界，在多媒體環(huán)境中主要需要短向量。我們已經(jīng)不在那個世界上了。向量擴(kuò)展使用一塊石頭殺死兩只鳥：

矢量指令不會使ISA膨脹。我們不需要繼續(xù)添加新的。

未來的證據(jù)更多。

添加更多的ALU，乘法器和其他功能單元后，無需重新編譯。

它們是機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序的絕佳選擇。

對矢量指令的批評

當(dāng)然，并不是每個人都對我對矢量指令的熱情滿懷。我們得看一些批評。經(jīng)?？吹降囊环N指責(zé)是整個系統(tǒng)更加復(fù)雜，SIMD更加容易。人們認(rèn)為矢量擴(kuò)展將使芯片膨脹。

坦率地說，這不是批評，我們應(yīng)該認(rèn)真對待。Esperanto 已經(jīng)證明，他們可以使用RISC-V向量擴(kuò)展來制造小型高效芯片。

David Patterson本人并不是該領(lǐng)域的新手。他知道自己在做什么。他不僅是第一個RISC處理器背后的關(guān)鍵架構(gòu)師之一，而且還積極參與了1990年代另一個鮮為人知的項目，即IRAM項目。

這在許多方面都是RISC的替代方法，后者采用了矢量處理方法。實際上，與發(fā)明原始的RISC相比，最后從事矢量處理的RISC-V人士可能會受到更大的影響。Patterson和其他人開始真正從他們的IRAM項目中相信矢量處理的強(qiáng)大功能和優(yōu)雅。因此，V在RISC-V實際上代表兩個5和載體。RISC-V從一開始就被認(rèn)為是用于矢量處理的體系結(jié)構(gòu)。

IRAM項目非常有趣，因為它預(yù)示了蘋果M1芯片后來發(fā)生的許多事情。在廣泛討論如何在SoC上使用DRAM及其優(yōu)勢。提示認(rèn)為統(tǒng)一內(nèi)存。

當(dāng)被問及使用向量處理指令的復(fù)雜性和難度時，David Patterson寫道：沒那么難。我們很早以前在IRAM項目中通過并行執(zhí)行較小的數(shù)據(jù)類型來做到這一點(diǎn)。許多人都在使用這種矢量架構(gòu)樣式來構(gòu)建RISC-V處理器。

在向量函數(shù)之間傳遞數(shù)據(jù)

但是，這也許是更嚴(yán)重的批評。您可以輕松創(chuàng)建固定長度的具體矢量類型和元素類型，并可以在高級語言中使用。因此，您可以創(chuàng)建一系列函數(shù)，這些函數(shù)可以獲取通過向量寄存器傳遞參數(shù)數(shù)據(jù)。因此，我們可以組合多個功能，其中所有數(shù)據(jù)都使用矢量寄存器在它們之間傳遞。

例如，如果函數(shù)看起來像這樣，我們可以很容易地與其他帶有Vec3參數(shù)的函數(shù)一起使用：

Vec3 vadd3（Vec3 v1，Vec3 v2）{

return Vec3（v1.x0 + v2.x0，

v1.x1 + v2.x1，

v1.x2 + v2.x2）;

}

如果矢量擴(kuò)展名要求您將數(shù)據(jù)作為數(shù)組或指針傳遞給內(nèi)存，則要困難得多。這意味著兩個向量函數(shù)之間的數(shù)據(jù)將始終必須通過拋出主存儲器來交換數(shù)據(jù)。這肯定會減慢速度。這是爭論的重點(diǎn)：

您提倡的方法不能完全做到這一點(diǎn)。您無法為采用或返回千字節(jié)數(shù)據(jù)的函數(shù)發(fā)明合理的調(diào)用約定。當(dāng)前的體系結(jié)構(gòu)都在這些向量寄存器中傳遞參數(shù)和返回值，因為它們的計數(shù)和大小是ISA的一部分，即穩(wěn)定且為編譯器所知。

但是，我可以看到一些解決方法。例如，使用GPU編程，人們使用可以任意長度的CUDA陣列。這些實際上只是包裝處理程序到圖形內(nèi)存中的數(shù)組。我不明白為什么向量寄存器不能以相同的方式工作。您只需使用特殊的數(shù)組類型作為這些向量函數(shù)的參數(shù)。

如果這不可能，那么“ Just in Time Compilation”實際上可能是一個不錯的選擇。例如，使用Julia編程語言，即時編譯器通常會消除不同函數(shù)調(diào)用之間的接口?？梢韵胂笠粋€JIT以這種方式將幾個基于向量的功能合并在一起，以避免在所有處理完成之前將結(jié)果寫到內(nèi)存中。

但老實說，這是我希望看到的。

為什么不使用GPU？

我看到的最后一個批評是，如果需要對長向量進(jìn)行運(yùn)算，則應(yīng)該只使用GPU。這里的想法是，如果您需要對大數(shù)據(jù)塊進(jìn)行操作，那么您還可能會承受將大數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)紾PU進(jìn)行處理然后讀取結(jié)果的性能損失。

有兩種看待批評的方法。如果向量擴(kuò)展名僅用于較臃腫的通用CPU，它將有一些優(yōu)點(diǎn)。無論如何，為快速處理標(biāo)量數(shù)據(jù)而優(yōu)化的CPU都將在向量處理方面具有劣勢。

但是，我們不能假設(shè)這一點(diǎn)。正如我們從Esperanto中所看到的，設(shè)計專門的RISC-V處理器（例如ET-Minion）是完全有效的，ET-Minion是用于快速矢量處理的定制模式。

而且，如果我們相信Esperanto公司的主張，他們的解決方案將勝過基于GPU的機(jī)器學(xué)習(xí)解決方案。

我通常會在很多RISC-V批評中看到這個問題。它常常會遺漏標(biāo)記，因為它假定我們一直在談?wù)撚糜谶\(yùn)行Windows，Linux或macOS的通用處理器。但是，RISC-V應(yīng)該適用于從微控制器，協(xié)處理器到超級計算機(jī)的任何事物。

矢量擴(kuò)展對于通用CPU仍然有意義，僅因為它隱藏了矢量處理的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。SIMD不能做的事情引起了很多ISA膨脹。

通用指令集的好處

即使專用處理器更適合長矢量，這并不意味著通用CPU和專用內(nèi)核不能同時是具有矢量擴(kuò)展的RISC-V處理器。

Playstation 3新穎的單元體系結(jié)構(gòu)的問題之一是通用PowerPC CPU無法與功能更有限的協(xié)處理器共享指令集。實際上，PS3架構(gòu)與Esperanto ET-SoC-1有很多共同點(diǎn)。PS3不是使用ET-Maxion內(nèi)核作為通用CPU，而是使用PowerPC CPU來運(yùn)行操作系統(tǒng)。PS3使用協(xié)同處理元素（SPE）代替了ET-Minion核心來處理面向矢量的主要工作量。

這是早期嘗試做M1今天正在做的事情以及ET-SoC-1將來可能做的事情的嘗試。

盡管寫了無數(shù)關(guān)于PS3失敗的頁面，但提到的一個原因是中央處理器和SPE沒有共享指令集。

對于開發(fā)人員而言，首先在主PowerPC CPU上進(jìn)行矢量處理代碼的開發(fā)和故障排除可能會容易得多。因此，在通用CPU上具有RISC-V向量擴(kuò)展名對開發(fā)人員和故障排除很有用。
責(zé)任編輯:tzh