Haswell详解:AVX2指令集浮点性能翻倍

    泡泡网CPU频道5月21日 Haswell到来的日子越来越近了，不仅测试成绩出来了，就连正式版盒装也已经到货了。Haswell的亮点有很多，除了之前说到的C7节能状态、GPU集显和超频空间外，还加入和TSX和AVX2指令集。不过由于TSX并不是每个Haswell处理器都支持，所以这里暂且不提。下面我们来介绍一下AVX2指令集以及其实际作用。

AVX2指令集：AVX指令集的加强版

    对于指令集和AVX指令集不了解的朋友可以先看看《AVX是什么？AVX指令集技术与应用解析》。当年AVX在SSE4指令集的基础上加入了256位矢量宽度、增强的数据排序、3/4个操作数、不对齐内存存取以及VEX编码方式，最直接的收益就是浮点性能最大提升了2倍。

AVX2的新内容

    在2011年发布的AVX2则在此基础上加入了以下新内容：

　　-整数SIMD指令扩展至256位

　　-2个新FMA（融合乘加，即±(a×b)±c）单元及浮点FMA指令

　　-离散数据加载指令“gather”、新的位移和广播指令

理论性能：整数和浮点性能翻倍

　　其中最为重要的是对256位的整数SIMD的支持，并新增60条256位浮点SIMD指令，完善从AVX开始的256位扩展，理论上可再次提升整数和浮点运算速度。

新FMA单元和指令带来更强的性能

    FMA则关系到浮点运算能力。Haswell架构中拥有2个新的FMA单元（Intel的FMA3指令），每个FMA单元支持8个单精度或4个双精度浮点数，每周期单/双精度FLOPs都要比AVX高1倍。

    FMA拥有20种指令形式，与3种操作数次序组合，形成60种新指令，为选择内存操作数或目的操作数提供了极大的灵活性。另外融合乘加还会自动选择多项式的计算过程，降低了延迟。

AVX两个128位通道独立，AVX2实现互通

    在AVX中，Intel定义了两个128位通道，分别是高通道和低通道，不同通道不能互取数据；到AVX2中，跨通道数据排列操作则实现了高低通道数据互通，效率更高。

AVX2新指令

    新的离散数据加载指令是一种访问非连续内存的基本操作，可以加载8个双字节或者4个四字节到一个目的寄存器中，提供了一种新的矢量化途径。

    另外AVX2还加入了一些移位指令和广播指令，其中移位指令包括任意到任意SIMD数据置换与矢量移位，使矢量化更高效、可靠。

实际应用：加强视频处理、游戏和专业计算性能

    理论可以说得很美好，但能不能投入到日常使用，能给性能带来多大的提升，才是用户最为关注的。

AVX2加强了音频、视频处理、游戏以及专业计算性能

    （1）目前大部分程序（包括操作系统以及游戏）的代码靠的主要是整数运算。AVX2指令集引入了对256位整数矢量指令的支持，让Haswell处理器的整数运算比上代架构有了更大提升，软件响应速度更快，运行更流畅。另外，较多使用整数运算的图像、视频处理也将受益。

　　（2）新的FMA单元加强了处理器浮点运算性能。对普通用户来说，游戏效果、3D动画以及视频播放是接触浮点运算最多的应用领域；浮点运算还是通用计算的主力。AVX2指令集帮助Haswell处理器提升浮点运算性能，也就是说，Haswell处理器将能比Sandy Bridge和Ivy Bridge展现出更强的3D性能和更快更准的通用计算能力。■