浮点峰值那些事

转载自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/28226956 作者：高洋

恩，这个系列的第一篇文章，先谈点轻松的，常用CPU架构浮点峰值的理论计算和实测。做性能优化，先要知己知彼，了解自己优化的CPU的能力上限。这样优化做到什么程度，心里会有数。

本文只介绍Intel x86-64架构，并且只针对单精度float类型。浮点峰值的计算，一般是计算单位时间内，乘法和加法的最大总吞吐量，单位是GFLOPS或者TFLOPS，表示每秒钟计算乘法和加法的总次数。

乘法和加法可能涉及到的指令包括：单独的乘法指令，如vmulps；单独的加法指令，如vaddps；融合乘加指令，如vfmadd231ps等。后者将乘法和加法融合为一条指令，在多数处理器中，三种指令都可以在一个发射端口每周期发射一条，所以乘加指令往往比单独使用乘法或者加法带来翻倍的吞吐量。

先来看x86-64，Intel在2010年推出Sandy Bridge架构（下面简称SNB），首次引入了256位宽的向量指令集AVX，即一条指令可以同时操作8组32位宽的数据类型。SNB架构示意图如下：

六个dispatch ports，其中port0和port1各有一条向量乘法（256-FP MUL）和向量加法（256-FP Add），即一个周期内，SNB架构可以吞吐一条浮点向量乘法和浮点向量加法。由于AVX指令集还不支持融合乘加FMA，浮点峰值计算只能使用这两条指令的总和吞吐量。

综上所述，SNB架构的理论浮点峰值就等于（8Mul + 8Add） 核心频率 核心数。例如SNB桌面高端的i7 2600k，有四个核心，关闭睿频后每核心频率3.4GHz，所以这款CPU的理论浮点峰值（关闭睿频）就是（8+8） 3.4 4=217.6GFLOPS。

如果想写一个小程序实测的话，可以这样设计：设置一个简单的循环，次数足够多，保证每次循环执行一个时钟周期，发射两条无依赖的vmulps和vaddps指令：

.loop:
    vmulps %ymm2, %ymm2, %ymm1
    vaddps %ymm4, %ymm4, %ymm3
    sub $0x1, %rax
    jne .loop

.loop是循环体；前两条vmulps和vaddps指令，输入和结果使用不同的寄存器，这样前后两个相邻循环的同一条指令产生WAW型寄存器依赖，通过寄存器renamer部件可以解决；然后用sub指令每次给rax寄存器里的循环计数减一，如果减到0，会修改状态寄存器的值，jne指令不会跳转，循环结束。sub指令和jne指令在SNB架构下和可以做到宏融合，形成单一的微指令，不会产生延迟，在port5和前面的乘法加法同周期分派。

由于本人手头没有SNB架构的处理器，暂时不能测试。SNB下一代微架构Ivy Bridge只是工艺升级版的SNB，各种特性几乎和SNB一样。我们再看下一代，即2013年推出的Haswell架构：

Haswell架构增加了AVX2和FMA指令集，其中FMA指令集就是256位的融合乘加指令，根据架构图中所示，port0和port1端口各有一个FMA单元，所以Haswell架构的理论峰值就等于。例如i7系列的最高版本i7 4790k，四核心，关闭睿频固定4GHz频率，那么浮点峰值就是，每个核心的峰值就是128 GFLOPS。

如果要实测Haswell的理论峰值，与SNB大部分思路是相同的。除了用到不同的指令以外，与SNB还有如下一些区别：fma指令的某个参数寄存器，既做输入也做输出，这样前后两个相邻循环间的同一条fma，就形成了RAW型寄存器依赖。所以如果每个循环还要求一个周期执行，并发射两条fma指令，相邻循环间肯定就会有数据依赖发生，要等待前一个循环的两条fma执行完毕才能进行第二次循环的两条fma，这就会导致流水线停顿，浪费时钟周期。假设fma指令的执行周期是k，那么解决办法就是一次循环内安排2k个数据无依赖的fma指令。经过试验，我们发现放10条fma指令到一个周期，浮点吞吐刚好达到最大值：

.loop:
    vfmadd132ps %ymm0, %ymm0, %ymm0
    vfmadd132ps %ymm1, %ymm1, %ymm1
    vfmadd132ps %ymm2, %ymm2, %ymm2
    vfmadd132ps %ymm3, %ymm3, %ymm3
    vfmadd132ps %ymm4, %ymm4, %ymm4
    vfmadd132ps %ymm5, %ymm5, %ymm5
    vfmadd132ps %ymm6, %ymm6, %ymm6
    vfmadd132ps %ymm7, %ymm7, %ymm7
    vfmadd132ps %ymm8, %ymm8, %ymm8
    vfmadd132ps %ymm9, %ymm9, %ymm9
    sub $0x1, %rax
    jne .loop

所以haswell架构下fma指令的执行延迟就是5个周期。感兴趣的同学可以试试改变循环内fma指令数量，看看测出来的GFLOPS有何变化。

我在自己的i7 4790k上测试了这个例子，结果如下：

测试同时包含了单精度和双精度两种，分如下四种情况：单线程，双线程，四线程和八线程。i7 4790k是四核八线程的处理器，所以根据前三组测试可以发现，实测峰值和理论峰值极为接近，与使用核心数量严格成比例。最后一组八线程使用了i7处理器的八个超线程，发现测出来的值和四线程几乎一样。这是由于超线程只是为每个核心提供两组线程上下文单元，两个线程其实是共享各种核内运算部件的。超线程的好处是线程之间往往没有各种数据依赖关系，两个线程的指令流可以尽量填充流水线并充分利用乱序多发射能力。互相掩盖对方的各种延迟，提高每个核心的利用效率。我们这个测试程序已经完整地利用了浮点乘加的吞吐能力，所以超线程并不带来好处。

同样的方法也可以测试ARM架构的CPU浮点峰值，但是需要注意ARM NEON指令包含两种乘加方式：向量乘向量，以及向量乘标量。注意这两种方式的指令延迟可能是不一样的，差距甚至会比较大，需要分别测出两者的延迟。Intel也已经推出了基于Skylake-X架构的AVX512指令集的Xeon服务器CPU，在FMA指令的基础上又提升了一倍的浮点峰值性能。新的架构很有意思，高端版本支持一个周期发射两条AVX512版本的乘加指令，其中一条来自port0和port1的256位FMA的端口融合，另外一条来自port5。中低端版本的Skylake-X就去掉了port5的乘加单元，只与Haswell的浮点能力相当。大家在选购服务器的时候一定要考察清楚。

有了峰值性能的数据，我们在写矩阵乘法和卷积运算这些计算密集型算法的时候，就有了一个理论上限。通过测试结果与理论上限的差距，评估算法的可能优化空间。除了浮点峰值性能，还有很多处理器的指标对我们优化和评估程序性能都有重要意义，例如内存带宽和延迟，各级cache的带宽和延迟，分支预测失败的惩罚周期...... 本文就不一一展开详述了。

上面测试汇编代码的完整版本我放在了github上：https://github.com/pigirons/cpufp

参考资料：

[1] Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual

[2] Intel® 64 and IA-32 Architectures Optimization Reference Manual

[3] 《探求计算性能的极限》，王琤

[4] https://software.intel.com/sites/landingpage/IntrinsicsGuide/#