好久不見(jiàn)，我叫阿Q，是CPU一號(hào)車間的員工。我所在的CPU有8個(gè)車間，也就是8個(gè)核心，咱們每個(gè)核心都可以同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)線程，就是8核16線程，那速度杠杠滴。

我所在的一號(hào)車間，除了負(fù)責(zé)執(zhí)行指令的我，還有負(fù)責(zé)讀取指令的小A，負(fù)責(zé)指令譯碼的小胖和負(fù)責(zé)結(jié)果回寫的老K，我們幾個(gè)各司其職，一起完成執(zhí)行程序的工作。

一個(gè)簡(jiǎn)單的循環(huán)

那天，我們遇到了一段代碼：

void array_add(int data[], int len) {
  for (int i = 0; i < len; i++) {
    data[i] += 1;
  }
}

循環(huán)了好幾百次之后，才把這段代碼執(zhí)行完成，每次循環(huán)都是做簡(jiǎn)單又重復(fù)的工作，把我累得夠嗆。

一旁負(fù)責(zé)結(jié)果回寫的老K也是累的滿頭大汗，吐槽道：“每次都是取出來(lái)加1又寫回去，要是能一次多取幾個(gè)數(shù)，批量處理就好了”

老K的話讓我眼前一亮，對(duì)啊，能不能批量操作呢？

心里一邊想著，一邊繼續(xù)干活了。

繁忙的一天很快結(jié)束了，轉(zhuǎn)眼又到了晚上，計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)后，我把大家召集了起來(lái)。

“兄弟們，還記得咱們白天遇到的那個(gè)循環(huán)嗎？”

“你說(shuō)哪個(gè)循環(huán)，咱們這一天可執(zhí)行了不少循環(huán)呢”，小A說(shuō)到。

“就是那個(gè)把整數(shù)數(shù)組每個(gè)元素都加1的那個(gè)循環(huán)”

“我想起來(lái)了，那循環(huán)怎么了？有什么問(wèn)題嗎？”

我看了老K一眼，說(shuō)道：“我在想今天老K的話，像這種循環(huán)，每次都是取出來(lái)加1又寫回去，一次操作一個(gè)數(shù)，效率太低了，咱們要是升級(jí)改造一下，支持一次取出多個(gè)數(shù)，批量加1，這樣豈不是快很多？”

老K一聽(tīng)來(lái)了興趣，“這敢情好，你打算怎么做？”

“這我還沒(méi)想好，大家有什么建議嗎？”

一旁負(fù)責(zé)指令譯碼的小胖說(shuō)道：“可以新增一條指令，專門用來(lái)一次取出多個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)加1”

“不行不行，不能限的這么死，今天是加1，萬(wàn)一下次是加2呢?指令里面不能限制為1”

“那如果每個(gè)數(shù)據(jù)要加的是不一樣的怎么辦？”

“你這么一說(shuō)，那萬(wàn)一不是加法，是減法，乘法怎么辦?”

“還有啊，···”

大家開(kāi)始七嘴八舌討論了起來(lái)，沒(méi)想到一個(gè)小小的加法循環(huán)，一下子引出了這么多問(wèn)題來(lái)，這是我們沒(méi)想到的。

并行計(jì)算

隨著討論的深入，我覺(jué)得已經(jīng)超出了咱們一號(hào)車間能把控的范圍，需要上報(bào)給領(lǐng)導(dǎo)，組織八個(gè)車間代表一起來(lái)商討。

領(lǐng)導(dǎo)一聽(tīng)說(shuō)有提高性能的新技術(shù)，馬上來(lái)了興趣，很快便開(kāi)會(huì)組織大家一起來(lái)商討方案。

“都到齊了是吧，阿Q你給大家說(shuō)一下這個(gè)會(huì)議的目的”，領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)到。

我站了起來(lái)，開(kāi)始把我們遇到的問(wèn)題和想法跟大家講了一遍。

“是這樣的，我們一號(hào)車間那天遇到了一段循環(huán)代碼，循環(huán)體的內(nèi)容很簡(jiǎn)單，就是給數(shù)組中的每一個(gè)元素加1。我們執(zhí)行的時(shí)候，就是不斷取出每一個(gè)元素，然后將其執(zhí)行加法計(jì)算后，再寫回去。這樣一個(gè)一個(gè)來(lái)加1，我們感覺(jué)太慢了， 要是可以一次多取幾個(gè)，并行加1，那一定比一個(gè)一個(gè)加快上不少?！?/p>

我剛說(shuō)完，大家都開(kāi)始小聲議論起來(lái)。

“我看出來(lái)了，這其實(shí)就是并行計(jì)算!”，二號(hào)車間小虎一語(yǔ)道出了關(guān)鍵。

六號(hào)車間小六問(wèn)道：”阿Q，你們已經(jīng)有方案了嗎？“

“還沒(méi)有，這正是今天開(kāi)會(huì)的目的，因?yàn)榍闆r有點(diǎn)復(fù)雜，還需要大家一起來(lái)出出主意”

“好像并不復(fù)雜嘛”

“我上面舉的例子只是一個(gè)簡(jiǎn)單的情況，并行計(jì)算還可能不是固定的數(shù)，可能是一個(gè)數(shù)組和另一個(gè)數(shù)組相加。還有可能不是整數(shù)相加，而是浮點(diǎn)數(shù)，甚至，還可能不是加法，而是減法或者乘法，再或者不是算術(shù)運(yùn)算，而是邏輯運(yùn)算”

我剛一說(shuō)完，大家又開(kāi)始竊竊私語(yǔ)交流起來(lái)。

“我琢磨著你說(shuō)的這一系列東西，咱們是要新增一套專門用來(lái)并行計(jì)算的指令集啊”，小虎說(shuō)道。

“這可是大工程啊”

“是啊···”

這時(shí)，小六又問(wèn)道：“咱們的計(jì)算的時(shí)候，都是把數(shù)據(jù)讀取到寄存器進(jìn)行的，可這寄存器一次只能裝一個(gè)數(shù)，怎么一次讀取多個(gè)數(shù)據(jù)呢?”

“可能需要新增一些容量大一些的寄存器，比如128bit長(zhǎng)度，可以同時(shí)容納4個(gè)32位的整數(shù)”

“有這個(gè)必要嗎？咱們是通用CPU，又不是專門做數(shù)學(xué)計(jì)算的芯片，搞這些東西干嘛？”，四號(hào)車間代表提出了質(zhì)疑。

我也不甘示弱：“那可太有必要了，在圖像、視頻、音頻處理等領(lǐng)域，有大量這樣的計(jì)算需求，咱們得提升處理這些數(shù)據(jù)的能力”

見(jiàn)我們爭(zhēng)執(zhí)不下，領(lǐng)導(dǎo)拍了拍桌子，會(huì)場(chǎng)一下安靜了下來(lái)。

“我覺(jué)得阿Q說(shuō)的有道理，咱們確實(shí)需要提升處理這類數(shù)據(jù)運(yùn)算的能力了。不過(guò)不用一下搞那么復(fù)雜，先支持整數(shù)并行運(yùn)算就行了。新增寄存器這個(gè)也不用著急，可以先借用一下浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算單元FPU的寄存器。這件事先這么定下來(lái)，具體的方案你們?cè)倮^續(xù)討論。”，說(shuō)完便離開(kāi)了會(huì)議室。

領(lǐng)導(dǎo)不愧是領(lǐng)導(dǎo)，幾句話就把我們安排的明明白白。

SIMD

又經(jīng)過(guò)一陣緊張的討論，我們終于敲定了方案。

我們借用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算單元的寄存器，還給它們起了新的名字：MM0-MM7。因?yàn)槭?4位的寄存器，所以可以同時(shí)存儲(chǔ)兩個(gè)32位的整數(shù)或者4個(gè)16位整數(shù)或者8個(gè)8位的整數(shù)。

我們還新增了一套叫MMX的指令集，用來(lái)并行執(zhí)行整數(shù)的運(yùn)算。

我們把這種在一條指令中同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)的技術(shù)叫做單指令多數(shù)據(jù)流(Single Instruction Multiple Data)，簡(jiǎn)稱SIMD。

有了這套指令集，咱們處理這類整數(shù)運(yùn)算問(wèn)題的速度快了不少。

不過(guò)漸漸地發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)很麻煩的問(wèn)題：

• 第一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槭墙栌肍PU的寄存器，所以當(dāng)執(zhí)行SIMD指令的時(shí)候，就不能用FPU計(jì)算單元，反過(guò)來(lái)也一樣，同時(shí)使用的話就會(huì)出亂子，所以要經(jīng)常在不同的模式之間切換，實(shí)在是有些麻煩。
• 另一個(gè)更重要的問(wèn)題，咱們這套指令集只能處理整數(shù)的并行運(yùn)算，可現(xiàn)在浮點(diǎn)數(shù)的并行運(yùn)算越來(lái)越多，尤其是圖像、視頻還有深度學(xué)習(xí)的一些數(shù)據(jù)處理，浮點(diǎn)數(shù)情況越來(lái)越多，這時(shí)候都派不上用場(chǎng)。

我們把這些問(wèn)題給領(lǐng)導(dǎo)做了匯報(bào)，看到我們已經(jīng)做出的成績(jī)，領(lǐng)導(dǎo)終于同意繼續(xù)升級(jí)。

這一次，我們擴(kuò)展了一套新的SSE指令集出來(lái)，新增了XMM0-XMM7總共8個(gè)128位的寄存器，再也不用跟FPU共享寄存器了。而且位寬加了一倍，能容納的數(shù)據(jù)更多了，能同時(shí)處理的數(shù)據(jù)自然也變多了。

后來(lái)，我們又不斷的修改升級(jí)，不僅支持了對(duì)浮點(diǎn)數(shù)并行處理，還推出了新一代的AVX指令集，把寄存器再一次擴(kuò)大為256位，現(xiàn)在我們的SIMD技術(shù)更加先進(jìn)，處理數(shù)據(jù)運(yùn)算的能力越來(lái)越強(qiáng)了!