SSE2

SSE2 ( Streaming SIMD Extensions 2 ) は、2000 年にIntelがPentium 4の初期バージョンで導入したIntel SIMD (Single Instruction, Multiple Data) プロセッサ補助命令セットの 1 つです。SSE2 命令により、x86 命令セット アーキテクチャ プロセッサで XMM (SIMD) レジスタを使用できます。これらのレジスタは、最大 128 ビットのデータをロードし、ベクトル加算や乗算などの命令を同時に実行できます。

SSE2 では、SSE の単精度浮動小数点命令と整数命令に加えて、倍精度浮動小数点命令が導入されました。SSE2 は、以前の 70 命令に 144 の新しい命令を追加することで、以前の SSE 命令セットを拡張しています。SSE2 は、IA-32 アーキテクチャ プロセッサに搭載されている SIMD 命令セットであるMMX を完全に置き換えることを目的としています。競合するチップ メーカーのAMD は、 2003 年にAMD64 64 ビット CPU のOpteronおよびAthlon 64シリーズを導入して、SSE2 のサポートを追加しました。

SSE2 は 2004 年に拡張されてSSE3 が作成され、さらに 2006 年に再度拡張されてSSE4が作成されました。

SSE2 命令のほとんどは、MMX にも見られる整数ベクトル演算を実装しています。MMX レジスタの代わりに、より幅が広く、特殊なアプリケーションで大幅なパフォーマンス向上を可能にする XMM レジスタを使用します。MMX を SSE2 に置き換えるもう 1 つの利点は、 x87 FPU とレジスタ空間を共有しているため、MMX に存在するx87命令を発行する際のモード切り替えペナルティを回避できることです。SSE2 は、倍精度データ型のサポートを追加することで、SSE 命令セットの浮動小数点ベクトル演算も補完します。

その他の SSE2 拡張機能には、無限の情報ストリームを処理するときにキャッシュ汚染を最小限に抑えることを主な目的とした一連のキャッシュ制御命令と、洗練された数値形式変換命令の補完が含まれます。

AMD の AMD64 ( x86-64 ) プラットフォームでの SSE2 の実装には、追加の 8 つのレジスタが含まれており、合計数は 16 に倍増します (XMM0 から XMM15)。これらの追加のレジスタは、64 ビット モードで実行している場合にのみ表示されます。Intel は、2004 年に x86-64 アーキテクチャ (または Intel の用語では「Intel 64」) のサポートの一部としてこれらの追加のレジスタを採用しました。

FPU (x87) 命令は、数値的に不安定なアルゴリズムでの丸め誤差を最小限に抑えるために、デフォルトで 80 ビットの精度で中間結果を計算することにより、より高い精度を提供します( IEEE 754 の設計原理とそこに記載されている参照を参照)。ただし、x87 FPU はスカラー ユニットのみですが、SSE2 はオペランドの小さなベクトルを並列に処理できます。

x87 用に設計されたコードを、より精度の低い倍精度 SSE2 浮動小数点に移植すると、数学演算または入力データセットの特定の組み合わせによって測定可能な数値偏差が生じる可能性があり、たとえば計算結果を別のマシン アーキテクチャから生成された結果と比較する必要がある場合など、再現可能な科学計算で問題となる可能性があります。関連する問題として、歴史的に、言語標準とコンパイラーは、SSE2 で実装された倍精度および単精度形式と比較して、倍精度拡張変数を実装する x87 80 ビット レジスタの処理に一貫性がなかったことが挙げられます。つまり、拡張精度の中間値を倍精度変数に丸める処理は完全に定義されておらず、レジスタがメモリにスピルされるタイミングなどの実装の詳細に依存していました。

SSE2 は、MMX 命令を拡張して XMM レジスタで動作するようにしました。したがって、既存のすべての MMX コードを SSE2 の同等のものに変換できます。SSE2 レジスタは MMX レジスタの 2 倍の長さなので、これに対応するためにループ カウンターとメモリ アクセスを変更する必要がある場合があります。ただし、XMM への 8 バイトのロードとストアが利用できるので、これは厳密には必須ではありません。

1 つの SSE2 命令は MMX 命令の 2 倍のデータを処理できますが、パフォーマンスはそれほど向上しない可能性があります。主な理由は 2 つあります。16バイト境界に揃えられていないメモリ内の SSE2 データにアクセスすると、大きなペナルティが発生する可能性があることと、古いx86実装での SSE2 命令のスループットがMMX 命令の半分であったことです。Intel は、最初の問題に対しては、 SSE3に命令を追加して、揃えられていないデータへのアクセスのオーバーヘッドを減らし、揃えられていないロードの全体的なパフォーマンスを向上させることで対処し、最後の問題に対しては、Core 2 Duo 以降の製品の Core マイクロアーキテクチャの実行エンジンを拡張することで対処しました。

MMX と x87 レジスタ ファイルは相互にエイリアス化されているため、MMX を使用すると x87 命令が期待どおりに動作しなくなります。MMX が使用されると、プログラマーは emms 命令 (C: _mm_empty()) を使用して x87 レジスタ ファイルへの操作を復元する必要があります。一部のオペレーティング システムでは、x87 はあまり使用されませんが、追加の精度が必要な pow() などの重要な領域で使用される場合があります。このような場合、emms を生成できなかったために発生した浮動小数点の破損状態は、数百万の命令で検出されず、最終的に浮動小数点ルーチンが失敗して NaN が返される可能性があります。この問題は MMX コードで局所的に明らかではないため、バグを見つけて修正するには非常に時間がかかります。SSE2 にはこの問題がなく、通常はスループットが大幅に向上し、64 ビット コードでより多くのレジスタを提供するため、ほぼすべてのベクトル化作業で SSE2 が優先されます。

2000 年に導入されたとき、SSE2 はソフトウェア開発ツールではサポートされていませんでした。たとえば、Microsoft Visual Studioプロジェクトで SSE2 を使用するには、プログラマーは手動でインライン アセンブリを記述するか、外部ソースからオブジェクト コードをインポートする必要がありました。その後、Visual C++ Processor Pack によってVisual C++とMASMに SSE2 サポートが追加されました。

Intel C++ コンパイラーは、手動でコーディングされたアセンブリを使用せずに、 SSE4、SSSE3、SSE3 、SSE2、および SSE コードを自動的に生成できます。

GCC 3 以降、ターゲットがこれらの命令をサポートしている場合、GCC はSSE/SSE2 スカラー コードを自動的に生成できます。GCC 4 以降では、SSE/SSE2 の自動ベクトル化が追加されました。

Sun Studio Compiler Suite は、コンパイラ フラグ -xvector=simd を使用すると SSE2 命令を生成することもできます。

Microsoft Visual C++ 2012以降では、SSE2 命令を生成するコンパイラ オプションがデフォルトでオンになっています。

SSE2 は、 x86 命令セットに基づくIA-32アーキテクチャの拡張です。したがって、 x86プロセッサのみが SSE2 を含めることができます。AMD64 アーキテクチャは、 IA-32 を互換モードとしてサポートしており、その仕様に SSE2 を含めています。 ^{[1] [2]}また、XMM レジスタの数も 2 倍になり、パフォーマンスが向上します。SSE2 は、Windows 8 ^[3] (以降) または Microsoft Office 2013 (以降) をインストールするための要件でもあり、「Windows 8 で実行されるサードパーティのアプリとドライバーの信頼性を高める」ために必要です。^[4]

次の IA-32 CPU は SSE2 をサポートしています。

• Intel NetBurstベースの CPU ( Pentium 4、Xeon、Celeron、Pentium D、Celeron D )
• Intel Pentium MおよびCeleron M
• インテル アトム
• AMD アスロン 64
• トランスメタ エフィセオン
• C7経由

次の IA-32 CPU は SSE2 が開発された後にリリースされましたが、SSE2 は実装されていませんでした。

• Athlon 64以前のAMD CPU (Athlon XPなど)
• C3経由
• トランスメタ クルーソー
• インテル クォーク

• SSE2命令