單指令流多數據流

單指令流多數據流是一種採用一個控制器來控制多個處理器，同時對一組數據（又稱“數據矢量”）中的每一個分別執行相同的操作從而實現空間上的並行性的技術。

基本介紹

• 中文名：單指令流多數據流
• 外文名：Single Instruction Multiple Data
• 採用：一個控制器來控制
• 又稱：“數據矢量”
• 縮寫：SIMD

概述

單指令流多數據流（英語：Single Instruction Multiple Data，縮寫：SIMD）是一種採用一個控制器來控制多個處理器，同時對一組數據（又稱“數據向量”）中的每一個分別執行相同的操作從而實現空間上的並行性的技術。

在微處理器中，單指令流多數據流技術則是一個控制器控制多個平行的處理微元，例如Intel的MMX或SSE，以及AMD的3D Now!指令集。

圖形處理器（GPU）擁有強大的並發處理能力和可程式流水線，面對單指令流多數據流時，運算能力遠超傳統CPU。OpenCL和CUDA分別是目前最廣泛使用的開源和專利通用圖形處理器（GPGPU）運算語言。

優勢

單指令流多數據流（SIMD）是一種實現數據級並行的技術，其典型代表是向量處理器（Vector Processor）和陣列處理器（Array Processor）。

SIMD技術最初主要套用在大規模的超級計算機中，但是近些年來，小規模SIMD技術也開始在個人計算機上得到廣泛套用。

SIMD技術的關鍵是在1條單獨的指令中同時執行多個運算操作，以增加處理器的吞吐量。為此，SIMD結構的CPU有多個執行部件，但都在同一個指令部件的控制之下，中央控制器向各個處理單元傳送指令，整個系統只要求有一個中央控制器，只要求存儲一份程式，所有的計算都是同步的。

為了了解SIMD在性能上的優勢，我們以加法指令為例進行說明：

單指令流單數據流（SISD）型CPU對加法指令解碼後，執行部件先訪問主存，取得第一個運算元，之後再一次訪問主存，取得第二個運算元，隨後才能進行求和運算；而在SIMD型CPU中，指令解碼後，幾個執行部件同時訪問主存，一次性獲得所有運算元進行運算。

這一特點使得SIMD技術特別適合於多媒體套用等數據密集型運算。

技術

1．MMX技術

MMX（Multi-Media Extension，多媒體擴展）是Intel設計的一種SIMD多媒體指令集。作為一種多媒體擴展技術，MMX大大提高了計算機在多媒體和通信套用方面的能力，帶有MMX技術的CPU適合於數據量很大的圖形、圖像數據處理，從而使三維圖形、動畫、視頻、音樂合成、語音識別、虛擬現實等數據處理的速度有了很大提高。

MMX技術的優點是增加了多媒體處理能力，可以一次處理多個數據，缺點則是僅僅只能處理整型數，並且由於占用浮點數暫存器進行運算，以至於MMX指令集與x87浮點運算指令不能夠同時執行，必須做密集的切換才可以正常執行，這種情況勢必造成整個系統運行質量的下降。

2．SSE技術

1999年，Intel在其Pentium III微處理器中集成了SSE（Streaming SIMD Extensions）技術，有效增強了CPU浮點運算的能力。

SSE兼容MMX指令，可以通過SIMD和單時鐘周期並行處理多個浮點數據來有效提高浮點運算速度，對圖像處理、浮點運算、3D運算、視頻處理、音頻處理等諸多多媒體套用起到全面強化作用。

具有SSE指令集支持的處理器有8個128位的暫存器，每一個暫存器可以存放4個單精度（32位）浮點數。SSE同時提供了一個指令集，其中的指令允許把浮點數載入到這些128位暫存器中，這些數就可以在這些暫存器中進行算術邏輯運算，然後把結果送回主存。也就是說，SSE中的所有計算都可以針對4個浮點數一次性完成，這種批處理帶來了效率的提升。

例如，考慮下面這個任務：計算一個很長的浮點型數組中每一個元素的平方根。

實現這個任務的算法一般可以寫為：

for each f in array

{

把f從主存載入到浮點暫存器

計算平方根

再把計算結果從暫存器中取出寫入主存

}

而在採用SSE技術後，算法可以改寫為：

for each 4 members in array //對數組中的每4個元素

{

把數組中的這4個數載入到一個128位的SSE暫存器中

在一個CPU指令執行周期中完成計算這4個數的平方根的操作

把所得的4個結果取出寫入主存

}

3．SSE2技術

2001年，Intel配合其Pentium 4微處理器，推出了SSE2（Streaming SIMD Extensions 2）指令集，擴展了SSE指令集，並可完全取代MMX。

SSE2指令集是Intel公司在SSE指令集的基礎上發展起來的。相比於SSE，SSE2使用了144個新增指令，擴展了MMX技術和SSE技術，提高了諸如MPEG-2、MP3、3D圖形等應用程式的運行性能。

在整數處理方面，隨MMX技術引進的SIMD整數指令從64位擴展到了128 位，使SIMD整數類型操作的執行效率成倍提高；在浮點數處理方面，雙精度浮點SIMD指令允許以 SIMD格式同時執行兩個浮點操作，提供雙精度操作支持有助於加速內容創建、財務、工程和科學套用。除SSE2指令之外，最初的SSE指令也得到增強，通過支持多種數據類型（例如雙字、四字）的算術運算，支持靈活、動態範圍更廣的計算功能。

4．SSE3技術

2004年，Intel在其基於Prescott核心的新款Pentium 4處理器中，開始使用SSE3（Streaming SIMD Extensions 3）技術。

SSE3指令集是Intel公司在SSE2指令集的基礎上發展起來的。相比於SSE2，SSE3在SSE2的基礎上又增加了13條SIMD指令，以提升Intel超執行緒（Hyper-Threading）技術的效能，最終達到提升多媒體和遊戲性能的目的。