Haswell芯光大道之四：AVX2指令集浮點性能翻倍

　　AVX2指令集是Haswell處理器升級的一個重點，通過增加對256位元整數SIMD指令的支援、2個新FMA單元和一些位移指令，讓處理器的整數和浮點運算速度翻倍，提升了處理器的視頻處理、遊戲和專業計算能力。

　　Haswell到來的日子越來越近了，不僅測試成績出來了，就連正式版盒裝也已經到貨了。Haswell的亮點有很多，除了之前說到的C7節能狀態、GPU集顯和超頻空間外，還加入和TSX和AVX2指令集。不過由於TSX並不是每個Haswell處理器都支持，所以這裡暫且不提。下面我們來介紹一下AVX2指令集以及其實際作用。

AVX2指令集：AVX指令集的加強版

　　對於指令集和AVX指令集不瞭解的朋友可以先看看《AVX是什麼？AVX指令集技術與應用解析》。當年AVX在SSE4指令集的基礎上加入了256位向量寬度、增強的資料排序、3/4個運算元、不對齊記憶體存取以及VEX編碼方式，最直接的收益就是浮點性能最大提升了2倍。

AVX2的新內容

　　在2011年發佈的AVX2則在此基礎上加入了以下新內容：
　　-整數SIMD指令擴展至256位元
　　-2個新FMA（融合乘加，即±(a×b)±c）單元及浮點FMA指令
　　-離散資料載入指令“gather”、新的位移和廣播指令

理論性能：整數和浮點性能翻倍

　　其中最為重要的是對256位元的整數SIMD的支援，並新增60條256位元浮點SIMD指令，完善從AVX開始的256位擴展，理論上可再次提升整數和浮點運算速度。

新FMA單元和指令帶來更強的性能

　　FMA則關係到浮點運算能力。Haswell架構中擁有2個新的FMA單元（Intel的FMA3指令），每個FMA單元支援8個單精確度或4個雙精度浮點數，每週期單/雙精度FLOPs都要比AVX高1倍。

　　FMA擁有20種指令形式，與3種運算元次序組合，形成60種新指令，為選擇記憶體運算元或目的運算元提供了極大的靈活性。另外融合乘加還會自動選擇多項式的計算過程，降低了延遲。

AVX兩個128位通道獨立，AVX2實現互通

　　在AVX中，Intel定義了兩個128位通道，分別是高通道和低通道，不同通道不能互取資料；到AVX2中，跨通道資料排列操作則實現了高低通道資料互通，效率更高。

AVX2新指令

　　新的離散資料載入指令是一種訪問非連續記憶體的基本操作，可以載入8個雙位元組或者4個四位元組到一個目的寄存器中，提供了一種新的向量化途徑。

　　另外AVX2還加入了一些移位元指令和廣播指令，其中移位元指令包括任意到任意SIMD資料置換與向量移位元，使向量化更高效、可靠。

實際應用：加強視頻處理、遊戲和專業計算性能

　　理論可以說得很美好，但能不能投入到日常使用，能給性能帶來多大的提升，才是用戶最為關注的。

AVX2加強了音訊、視頻處理、遊戲以及專業計算性能

　　（1）目前大部分程式（包括作業系統以及遊戲）的代碼靠的主要是整數運算。AVX2指令集引入了對256位元整數向量指令的支援，讓Haswell處理器的整數運算比上代架構有了更大提升，軟體回應速度更快，運行更流暢。另外，較多使用整數運算的圖像、視頻處理也將受益。

　　（2）新的FMA單元加強了處理器浮點運算性能。對普通用戶來說，遊戲效果、3D動畫以及視頻播放是接觸浮點運算最多的應用領域；浮點運算還是通用計算的主力。AVX2指令集説明Haswell處理器提升浮點運算性能，也就是說，Haswell處理器將能比Sandy Bridge和Ivy Bridge展現出更強的3D性能和更快更准的通用計算能力。

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