ARM SVE 研讀筆記 Part-1 - ARM SVE 基本概述

ARM 於 ARMv8.2 時期開發了新一代 SIMD 指令集, 以選擇性擴充的方式來接替已使用多年的 NEON, 並在 ARMv9 中預設涵蓋, 該 SIMD ISA 全名為 Scalable Vector Extension 簡寫為 SVE. 這中中最著名的使用案例是與富士合作的 ARM 超級電腦平台中使用了配置為 512b vector length 的 SVE 實作. 相較 NEON 而言, SVE 除了新增功能特性的設計上, 除了增進便利性, 也同時一併考慮了 SIMD 效能擴充 / 延伸性的問題. 

Fig.1 - ARM SVE vector register 與 NEON register 關係圖.

ARM SVE 的設計最特別的地方在於它採用了不同於現今主流 CPU / DSP 皆以 fixed vector length 來制定出一組 SIMD 指令集的方式. 在設計上採用了硬體實作中可對於內部 vector length 作可調整配置的方式, 這也是名稱上使用了 "Scalable" 一詞的原因. ARM SVE 允許硬體商因應用效能上需求的考量而去決定 vector length, 越長的 vector 因為需要更多的 ALU 來提供 ILP, 也會直接地反映在 die area 上. 而 ARM SVE 的 vector length 選擇上必須是介於 128~2048b 而且為 128b 的倍數.

Fig. 2 - ARM SVE 新增的 predicate register.

設計上與 ARM NEON 的另一個重大差異, 在於 ARM SVE 導入 16 個 predicate register.  這是用在於 DSP SIMD 中相當常見的 Per-lane predication 用途上. 在此必須特別說明的是於 Fig. 2 中的 LEN 參數與 Fig. 1 的是連動的相同數值, 這表示 IC vendor 選擇了 LEN 就同時固定了 vector 與 predicate register 的長度, 因此兩者長度的比例固定為 8:1. 在 ARM SVE 中透過使用  predicate, 能夠精確的控制個別資料的計算與否, 如此處理一些 if/else 等等的狀況會更為便利. 由於 SVE 的進階功能都圍繞著 predication 的使用, 因而 SVE 也有著對 predication 運算操作的指令.

Fig. 3 - 總結 ARM SVE 的重大特性

個人統整認為 SVE 的主要特性有 1(個人認為應該加入) + 5, 分別是:

• Vector Length Agnostic (VLA)
• Gather-load and Scatter-Store
• Per-lane predication
• Predicate-driven loop control and managment
• Vector partitioning for software-managed speculation
• Extended floating-point and bitwise horizontal reductions.
  

後續陸續將這些心得一一分享. 下一篇將介紹說明 Vector Length Agnostic (VLA)