コンピューティングにおいて、ストリーミング SIMD 拡張命令( SSE ) は、 x86アーキテクチャに対するSIMD ( 単一命令複数データ)命令セットの拡張機能であり、 Intelによって設計され、Advanced Micro Devices ( AMD ) の3DNow!の登場直後の1999 年に同社のPentium IIIシリーズの中央処理装置(CPU) に導入されました。SSE には 70 個の新しい命令 (70 個のエンコードを使用する 65 個の固有ニーモニック[1] ) が含まれており、そのほとんどは単精度浮動小数点データで機能します。SIMD 命令を使用すると、複数のデータ オブジェクトに対してまったく同じ操作を実行する場合にパフォーマンスが大幅に向上します。代表的なアプリケーションは、デジタル信号処理とグラフィックス処理です。

Intel による最初のIA-32 SIMD への取り組みは、MMX命令セットでした。MMX には 2 つの大きな問題がありました。既存のx87浮動小数点レジスタを再利用するため、CPU が浮動小数点データと SIMD データの両方を同時に処理できないことと、整数データしか処理できないことです。SSE 浮動小数点命令は、新しい独立したレジスタセットである XMM レジスタを操作し、MMX レジスタで動作する整数命令をいくつか追加しました。

SSEはその後、IntelによってSSE2、SSE3、SSSE3、そしてSSE4へと拡張されました。浮動小数点演算をサポートしているため、MMXよりも幅広い用途に利用され、より普及しました。SSE2に整数演算のサポートが追加されたことで、MMXはほぼ不要になりましたが、状況によってはMMXをSSE演算と並行して使用することで、 さらなるパフォーマンス向上を実現できます（いつ？） 。

SSEは当初Katmai New Instructions（KNI）と呼ばれていました。KatmaiはPentium IIIコアの最初のリビジョンのコード名でした。Katmaiプロジェクトにおいて、IntelはSSEを以前の製品ライン、特に主力製品であるPentium IIとの区別に努めました。その後、SSEはInternet Streaming SIMD Extensions（ISSE [2] ）に改名され、その後SSEとなりました。

AMDは、1999年8月にオリジナルのAthlonがリリースされた直後に、SSEのサブセット（19個）を追加しました（新しいMMX命令[3]と呼ばれ、SSEとMMXのいくつかの変種と組み合わせ、またはInteger SSE（ISSE 、 SSEの初期の名称であるInternet Streaming SIMD Extensionsと混同しないでください）として知られています（3DNow!拡張機能を参照）。AMDは最終的に、Athlon XP（CorvetteおよびPalominoコア）とDuron（Morganコア）プロセッサから、 SSE命令（ 3DNow! Professionalと呼ばれることもあります）の完全なサポートを追加しました。

レジスター

XMM0SSEは当初、からと呼ばれる8つの新しい128ビットレジスタを追加しましたXMM7。AMDのAMD64XMM8拡張により、さらにからまでの8つのレジスタが追加されXMM15、この拡張はIntel 64アーキテクチャにも複製されています。また、新しい32ビット制御/ステータスレジスタ も追加されました。から までのMXCSRレジスタは、64ビット動作モードでのみアクセス可能です。 XMM8XMM15

SSE は XMM レジスタに単一のデータ型のみを使用しました。

  • 4つの32ビット単精度浮動小数点数

SSE2では後に、XMM レジスタの使用法が次のように拡張されました。

  • 2つの64ビット倍精度浮動小数点数または
  • 2つの64ビット整数または
  • 4つの32ビット整数または
  • 8つの16ビット短整数または
  • 16 個の 8 ビット バイトまたは文字。

これらの128ビットレジスタは、タスクスイッチを跨いでオペレーティングシステムが保持しなければならない追加のマシン状態であるため、オペレーティングシステムが明示的に有効にするまで、デフォルトで無効になっています。つまり、OSは、すべてのx86およびSSEレジスタ状態を一度に保存できる拡張命令ペアである命令と命令の使用方法を認識している必要があります。このサポートは、すべての主要なIA-32オペレーティングシステムに迅速に追加されました。 FXSAVEFXRSTOR

SSEをサポートした最初のCPUであるPentium IIIは、SSEと浮動小数点ユニット（FPU）間で実行リソースを共有していました。[2]コンパイルされたアプリケーションはFPU命令とSSE命令を並べてインターリーブできますが、Pentium IIIはFPU命令とSSE命令を同じクロックサイクルで発行しません。この制限によりパイプラインの有効性は低下しますが、独立したXMMレジスタにより、明示的なMMX/浮動小数点モードの切り替えによるパフォーマンスの低下なしに、SIMD演算とスカラー浮動小数点演算を混在させることができます。

SSE命令

SSE では、スカラー命令とパック浮動小数点命令の 両方が導入されました。

浮動小数点命令

RSQRTSS浮動小数点演算は、標準で指定されていない を除いて、IEEE 754-1985 に準拠しています。

  • メモリからレジスタへ/レジスタからメモリへ/レジスタからレジスタへのデータ移動
    • スカラー –MOVSS
    • パック –MOVAPS, MOVUPS, MOVLPS, MOVHPS, MOVLHPS, MOVHLPS, MOVMSKPS
  • 算術
    • スカラー –ADDSS, SUBSS, MULSS, DIVSS, RCPSS, SQRTSS, MAXSS, MINSS, RSQRTSS
    • パック –ADDPS, SUBPS, MULPS, DIVPS, RCPPS, SQRTPS, MAXPS, MINPS, RSQRTPS
  • 比較する
    • スカラー –CMPSS, COMISS, UCOMISS
    • パック –CMPPS
  • データのシャッフルと展開
    • パック –SHUFPS, UNPCKHPS, UNPCKLPS
  • データ型変換
    • スカラー –CVTSI2SS, CVTSS2SI, CVTTSS2SI
    • パック –CVTPI2PS, CVTPS2PI, CVTTPS2PI
  • ビット論理演算
    • パック –ANDPS, ORPS, XORPS, ANDNPS

整数命令

  • 算術
    • PMULHUW, PSADBW, PAVGB, PAVGW, PMAXUB, PMINUB, PMAXSW, PMINSW
  • データの移動
    • PEXTRW, PINSRW
  • 他の
    • PMOVMSKB, PSHUFW

その他の指示

  • MXCSR管理
    • LDMXCSR, STMXCSR
  • キャッシュとメモリ管理
    • MOVNTQ, MOVNTPS, MASKMOVQ, PREFETCH0, PREFETCH1, PREFETCH2, PREFETCHNTA, SFENCE

例

次の簡単な例は、SSEを使用する利点を示しています。コンピュータグラフィックスアプリケーションで非常によく使用されるベクトル加算のような演算を考えてみましょう。x86を使用して2つの単精度4成分ベクトルを加算するには、4つの浮動小数点加算命令が必要です。 

vec_res.x = v1.x + v2.x ; vec_res.y = v1.y + v2.y ; vec_res.z = v1.z + v2.z ; vec_res.w = v1.w + v2.w ;​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

これはオブジェクトコードでは4つのx86 FADD命令に相当します。一方、以下の擬似コードが示すように、128ビットの「パックド加算」命令1つで4つのスカラー加算命令を置き換えることができます。 

movaps xmm0 , [ v1 ] ;xmm0 = v1.w | v1.z | v1.y | v1.x addps xmm0 , [ v2 ] ;xmm0 = v1.w+v2.w | v1.z+v2.z | v1.y+v2.y | v1.x+v2.x movaps [ vec_res ], xmm0 ;xmm0

後のバージョン

  • Pentium 4で導入されたSSE2 (Williamette New Instructions、WNI) は、SSE に対する主要な機能強化です。SSE2 では、すべての SSE 操作に対する倍精度(64 ビット) 浮動小数点と、128 ビット XMM レジスタに対する MMX 整数操作という 2 つの主要な機能が追加されています。オリジナルの SSE 命令セットでは、整数との間の変換で整数データが​​ 64 ビット MMX レジスタに配置されていました。SSE2 を使用すると、プログラマは、従来の MMX または FPU レジスタを使用する必要がなく、XMM ベクトル レジスタ ファイルのみを使用して、8 ビット整数から 64 ビット浮動小数点まであらゆるデータ型の SIMD 演算を実行できます。これは、一般的なデータ型を処理するための直交命令セットを提供します。
  • SSE3 は、Prescott New Instructions (PNI) とも呼ばれ、SSE2 の段階的なアップグレードであり、DSP 向けの数学命令とプロセス（スレッド）管理命令をいくつか追加しています。また、SSE2 以前では不可能だった、同じレジスタに格納されている 2 つの数値の加算または乗算も可能になりました。Intel の用語で「horizo​​ntal」と呼ばれるこの機能は、SSE3 命令セットの主要な追加機能です。AMD の3DNow!拡張機能は、後者の演算も実行できます。
  • SSSE3（Merom New Instructions、MNI）はSSE3のアップグレード版で、ワード内のバイトの順序変更、16ビット固定小数点数の乗算（正しい丸め処理）、ワード内累算命令など、16個の新しい命令が追加されています。SSSE3は、Coreマイクロアーキテクチャの開発中に使用された用語であるため、SSE4と間違われることがよくあります。
  • SSE4、Penryn New Instructions (PNI) は、もう 1 つの主要な機能強化であり、ドット積命令、追加の整数命令、popcnt命令( Population count : 1 に設定されたビットの数をカウント。暗号化などで広く使用される) などが追加されています。
  • XOP、FMA4、CVT16はAMDが2007年8月に発表した新しいバージョンであり[4] [5]、2009年5月に改訂されました。[6]
  • アドバンスト・ベクター・エクステンション（AVX）、ゲシャー・ニュー・インストラクションズ（GNI）は、インテルが発表したSSEの拡張版であり、データパスが128ビットから256ビットに拡張され、オペランド命令が3つ（2つから増加）となっています。インテルは2011年初頭にAVXをサポートするプロセッサをリリースしました。[7]
  • AVX2は AVX 命令セットの拡張です。
  • AVX-512 (3.1 および 3.2) は、x86 命令セット アーキテクチャの 256 ビット Advanced Vector Extensions SIMD 命令の 512 ビット拡張です。

識別

以下のプログラムを使用すると、システムでサポートされているSSEのバージョン（存在する場合）を判別できます。

  • インテルプロセッサー識別ユーティリティ[8]
  • CPU-Z – CPU、マザーボード、メモリ識別ユーティリティ。
  • lscpu - ほとんどの Linux ディストリビューションの util-linux パッケージによって提供されます。

参照

参考文献

  1. ^ 「Intel® 64 および IA-32 アーキテクチャー ソフトウェア開発マニュアル 第 1 巻：基本アーキテクチャー」。Intel。2022 年 4 月。pp. 5-16–5-19。2022 年 4 月 25 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年5 月 16 日閲覧。
  2. ^ ab Diefendorff, Keith (1999年3月8日). 「Pentium III = Pentium II + SSE: Internet SSE Architecture Boosts Multimedia Performance」(PDF) . Microprocessor Report . 13 (3). 2018年4月17日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2017年9月1日閲覧。
  3. ^ 「AMD 3DNowおよびMMX命令セット拡張マニュアル」(PDF)。Advanced Micro Devices, Inc.、 2000年3月。 2008年5月17日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2024年4月18日閲覧。
  4. ^ Vance, Ashlee (2007年8月3日). 「AMD、x86拡張機能によるシングルスレッド性能向上を予測」The Register . 2011年4月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年8月24日閲覧。
  5. ^ 「AMD64テクノロジー：128ビットSSE5命令セット」（PDF）AMD 2007年8月。2017年8月25日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。 2017年8月24日閲覧。
  6. ^ 「AMD64テクノロジー AMD64アーキテクチャ プログラマーズ・マニュアル 第6巻：128ビットおよび256ビット XOPとFMA4命令」（PDF） AMD、2009年11月。 2017年1月31日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。 2017年8月24日閲覧。
  7. ^ Girkar, Milind (2013年10月1日). 「Intel® Advanced Vector Extensions (Intel® AVX)」. Intel . 2017年8月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年8月24日閲覧。
  8. ^ 「Intel® プロセッサー識別ユーティリティーのダウンロード」。Intel。2017年7月24日。2017年8月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年8月24日閲覧。
  • Intel Intrinsics ガイド