В линейке процессоров Ryzen 7000 компания AMD осуществила поддержку инструкций AVX-512. Тех самых, которые заблокировала в своих процессорах для массовых платформ компания Intel. Для чего нужны эти инструкции, какую реальную пользу они несут, и будет ли поддержка AVX-512 реальным преимуществом AMD перед конкурентом?
Что такое AVX-512
Инструкции семейства Advanced Vector Extensions (AVX) являются дальнейшим развитием инструкций семейства Streaming SIMD Extensions (SSE). Прародителем последних, в свою очередь, являются инструкции MultiMedia eXtensions (MMX), впервые появившиеся в 1997 году в процессорах Pentium MMX. За четверть века эволюции этого семейства инструкций их основное предназначение оставалось неизменным: ускорение работы программного обеспечения, работающего с мультимедийным контентом, к которому относится фото, видео или 3D-модели.
MMX использует 64-битные регистры, семейство SSE удваивает этот параметр до 128 бит. AVX первого и второго поколения работает с 256-битными регистрами, а последний в линейке — AVX-512 (как следует из названия, с 512-битными).
С каждой версией мультимедийных инструкций появляется все больше сценариев для их использования благодаря постоянному появлению новых функций. А расширение регистров, в свою очередь, дает возможность значительно ускорить работу этих сценариев. При грамотной оптимизации программного обеспечения для более «широких» инструкций можно добиться кратного повышения производительности по сравнению с использованием более «узких».
Почему Intel отказалась от AVX-512
Первой ранняя реализация 512-битных инструкций была применена в ускорителях вычислений Intel семейства Xeon Phi. Но по-настоящему массовое распространение уже стандартизированный AVX-512 получил в серверных процессорах Xeon на архитектуре Skylake. В десктоп новые инструкции впервые попали в 2017 году, вместе с HEDT-платформой Intel на базе чипсета X299 и процессоров Core i7-X 7000 серии, использующих архитектуру серверных моделей. Позже в линейку процессоров, которые поддерживают AVX-512, добавились Core-X 9000 и 10000 серии, работающие на той же платформе.
Несмотря на то, что массовые платформы тех лет тоже полагались на архитектуру Skylake, поддержки 512-битных инструкций в них не было. Дебют AVX-512 в массовых десктопных и мобильных платформах состоялся с 11 поколением процессоров Core архитектур Rocket Lake и Ice Lake в 2021 году.
При выходе процессоров 12 поколения на новой гибридной архитектуре Intel уточнила, что для задействования AVX-512 нужно будет отключить малые ядра, так как у них поддержки данных инструкций нет. Но позже компания решила вообще отказаться от AVX-512 на процессорах данного поколения в новых ревизиях процессоров. А чтобы ее не было и в старых, обязала производителей материнских плат выпустить обновления BIOS, отключающие данную технологию.
Почему? Причин на это несколько. Во-первых, при использовании новых инструкций и так не холодные процессоры Alder Lake потребляют намного больше энергии и еще сильнее разогреваются — температуры под нагрузкой увеличиваются на десяток-полтора градусов. При таком использовании приемлемые результаты охлаждения начинают показывать только дорогие кулеры и водяные СО. То же самое было и в предыдущем поколении Rocket Lake при задействовании AVX-512.
Во-вторых, в линейке этих процессоров есть младшие модели без малых ядер. По этой причине AVX-512 у них должен быть активен по умолчанию, в отличие от «танцев с бубнами» с отключением малых ядер в BIOS для работы технологии у старших моделей. Это представляет последние в невыгодном свете.
В-третьих, Intel считает наличие 512-битной версии AVX в данный момент необязательным в массовых платформах по причине их малой распространенности в пользовательском программном обеспечении, в отличие от серверного.
Вернет ли Intel AVX-512 в массовые платформы? Да, но точно не в этом году. В новом 13 поколении процессоров Core малые ядра архитектуру не сменят, и AVX-512 в них не появится. Скорее всего, 512-битные мультимедийные расширения вернутся в 14 поколении процессоров Core, малые ядра которого получат новую процессорную архитектуру, то есть — не раньше конца следующего года.
Почему AMD пришла к AVX-512 только сейчас
Серверные процессоры AMD, в отличие от продукции конкурента, до сих пор не поддерживают AVX-512. AMD вводит поддержку нового набора инструкций только в этом году на десктопных Ryzen 7000, сердцем которых стала архитектура Zen 4. Позже будут выпущены серверные и HEDT-процессоры на той же архитектуре, которые унаследуют поддержку инструкций от младших собратьев.
При этом возникают два вопроса: почему AMD не добавила поддержку AVX-512 в серверы раньше? И почему, в отличие от конкурента, ее десктопные процессоры получат поддержку инструкций раньше серверных и HEDT? Ответ прост: все дело в унификации. Все процессоры AMD собираются из одних и тех же чиплетов — как десктопные, так и серверные. Именно поэтому сначала представляются десктопные процессоры на новой архитектуре с малым количеством чиплетов, а позже — серверные и HEDT с большим количеством тех же самых базовых «кирпичиков».
Intel разрабатывает разные кристаллы для десктопных и серверных процессоров, поэтому ненужные блоки в десктопные кристаллы она может просто не включать еще на стадии их проектирования, как это было сделано с процессорами на архитектуре Skylake.
Смысла же добавлять инструкции AVX-512 у AMD до этого года было немного. Пользовательское программное обеспечение до сих пор умеет задействовать их с видимой пользой лишь в достаточно редких случаях. Серверное — немного чаще, но тоже не всегда. При этом в серверах процессоры AMD и так зачастую быстрее продукции конкурента даже без новых инструкций — просто за счет большего количества ядер.
Однако, рано или поздно новые инструкции должны были попасть и в процессоры AMD. Ryzen 7000 серии помимо новой архитектуры получили и новый техпроцесс производства — 5 нм, который положительно скажется на энергопотреблении в работе с энергоемким AVX-512. К тому же, серверное ПО все активнее разрабатывается с учетом AVX-512, а чиплеты архитектуры Zen 4 попали и в серверные процессоры. Поэтому компания решила, что время и для ее реализации AVX-512 уже пришло.
Для чего нужен AVX-512
Как и все предшественники, AVX-512 предназначен ускорить работу приложений, использующих мультимедийные инструкции для работы определенных алгоритмов. Например, AVX и AVX2 используются для ускорения конвертации видео, эмуляторов игровых приставок, работы некоторых инструментов в фото- и видеоредакторах, интеллектуального размытия фона в видеочатах, и т.д.
С массовым распространением AVX-512 многие из этих алгоритмов в течение нескольких лет получат и его поддержку. За счет более широких регистров новых инструкций, при должной оптимизации ПО, его работу можно будет заметно ускорить. Уже сегодня есть некоторое программное обеспечение, которое получает значительное ускорение от AVX-512, но пока его крайне мало. Например, эмулятор Play Station 3 под названием RPCS3 при его задействовании получает дополнительные 30% производительности.
Заметного ускорения за счет новых инструкций уже сегодня можно добиться и при кодировании видео формата HEVC. Представители AMD говорят о том, что данные инструкции в первую очередь пригодятся для программного обеспечения, которое задействует глубокое обучение и искусственный интеллект, а также различные техники масштабирования изображений.
AVX-512 сегодня
При всех преимуществах AVX-512 стоит помнить, что в основной массе программного обеспечения поддержка новых инструкций всегда внедряется достаточно медленно. В том числе потому, что практически вся работа, которую позволяют ускорить инструкции, может быть сделана либо без них, либо на старых версиях вроде SSE4.2. Именно поэтому большая часть возможностей современного ПО полагается на мультимедийные инструкции старых версий. Взять в пример те же игры — до сих пор много случаев, когда на выходе игры разработчик заявляет об обязательных требованиях в виде процессора с AVX, а через некоторое время игра получает патч, который делает ее запуск возможным и на процессорах без него.
Почему так происходит? Дело в том, что для реального ускорения работы за счет мультимедийных инструкций нужно хорошо оптимизировать код программы под их определенную версию. Если этой оптимизации нет, то что с AVX, что с SSE4.2 та же игра покажет почти одинаковую производительность, и тогда требовать для запуска проекта процессора с AVX будет просто бессмысленно.
Такое до сих пор сплошь и рядом даже с AVX2, которому в этом году исполнилось 9 лет, не говоря уже о AVX-512, который пока не использует ни одна игра. Так что любителям компьютерных игр насчет отсутствия у их процессоров новых инструкций еще как минимум несколько лет беспокоиться не стоит.
Даже когда первые проекты получат поддержку новых инструкций, не стоит ждать от этих реализаций значительного буста производительности. Примером может служить выпущенная через два года после появления инструкций AVX игра GRID 2, которая имела два исполняемых файла, работающих с AVX и SSE. В итоге обе версии на одном и том же «железе» показывают практически идентичную производительность.
Долгий путь AVX-512 еще только начинается. Сейчас эти инструкции востребованы в основном в узкоспециализированном ПО. Через некоторое время они станут несколько более распространенными, но только через десяток лет станут использоваться повсеместно. Поэтому переживать о том, что ваш процессор их не поддерживает, пока смысла нет.
