ユーザー指示または SIMD ベクトル化

ユーザー指示または SIMD ベクトル化は、OpenMP* 並列化が自動並列化を補足するように、自動ベクトル化を補足します。下記の図でこの関係を示します。ユーザー指示によるベクトル化は SIMD (Single-Instruction, Multiple-Data) 機能として実装され、SIMD ベクトル化と呼ばれます。

SIMD ベクトル化機能は、インテル製マイクロプロセッサーおよび互換マイクロプロセッサーの両方で利用可能です。ベクトル化により呼び出されるライブラリー・ルーチンは、互換マイクロプロセッサーよりもインテル製マイクロプロセッサーにおいてより優れたパフォーマンスが得られる可能性があります。また、ベクトル化は、/arch/Qx (Windows*) または -m-x (Linux* および Mac OS* X) などの特定のオプションによる影響を受けます。

次の図は、ハードウェアのベクトル化機能を活用するベクトル化コードを生成するためのさまざまなアプローチの中で、SIMD ベクトル化がどこに位置付けされているかを示しています。SIMD ベクトル化を用いて記述されたプログラムは、自動ベクトル化ヒントを使用して記述されたものと似ています。SIMD ベクトル化を使用すると、ベクトル化コードの取得に必要なコードの変更を最小限にすることができます。

SIMD ベクトル化は !DIR$ SIMD 宣言子を使用してループをベクトル化します。ループに宣言子を追加して、ループがベクトル化されるように再コンパイルしなければなりません (Windows* OS の場合は -Qsimd オプションが、Linux* OS の場合は -simd オプションがデフォルトで有効になります)。

不明なデータ依存性の距離 "X" のために、コンパイラーが自動でループをベクトル化しない Fortran の例ついて考えてみます。自動ベクトル化ヒント !DIR$ IVDEP でデータ依存性のアサーションを追加してループをベクトル化するかどうかをコンパイラーに判断させるか、または !DIR$ SIMD を使ってループのベクトル化を強制実行することができます。

例: !DIR$ SIMD なし

[D:/simd] cat example1.f
subroutine add(A, N, X)
integer N, X
real    A(N)
DO I=X+1, N
  A(I) = A(I) + A(I-X)
ENDDO
end

コマンドライン入力と出力結果

[D:/simd] ifort example1.f -nologo -Qvec-report2 
D:\simd\example1.f(6): (例. 9) リマーク: ループはベクトル化されませんでした: ベクトル依存関係が存在しています。

例: !DIR$ SIMD あり

[D:/simd] cat example1.f
subroutine add(A, N, X)
integer N, X
real    A(N)
!DIR$ SIMD
DO I=X+1, N
  A(I) = A(I) + A(I-X)
ENDDO
end

コマンドライン入力と出力結果

[D:/simd] ifort example1.f -nologo -Qvec-report2 -Qsimd
D:\simd\example1.f(7): (例. 9) リマーク: ループがベクトル化されました。

SIMD 宣言子と自動ベクトル化ヒントの主な違いは、SIMD 宣言子では、コンパイラーはループをベクトル化できない場合に警告を発行します。自動ベクトル化ヒントでは、!DIR$ VECTOR ALWAYS ヒントを使用した場合でも、実際のベクトル化はコンパイラーの判断にまかせられます。

SIMD 宣言子にはオプション節があり、コンパイラーにベクトル化の方法を指示できます。コンパイラーが正しいベクトル化コードを生成するための十分な情報を得られるように、これらの節を適切に使用してください。節についての詳細は、!DIR$ SIMD の説明を参照してください。

追加のセマンティクス

!DIR$ SIMD 宣言子の使用に関して、次の点に注意してください。

vector 宣言の使用

算術関数 sinf() が含まれるループを持つ次の C++ の例ついて考えてみます。このセクションで示すコード例はすべて Windows* オペレーティング・システムのみが対象です。

例: 算術関数を持つループが自動ベクトル化するケース

[D:/simd] cat example2.c
void vsin(float *restrict a, float *restrict b, int n){
int i;
for (i=0; i<n; i++) {
  a[i] = sinf(b[i]);
  }
}

コマンドライン入力と出力結果

[D:/simd] icl example2.c -nologo -O3 -Qvec-report2 -Qrestrict
example2.c
D:\simd\example2.c(3): (列 3) リマーク: ループがベクトル化されました。

上記のコードをコンパイルすると、sinf() 関数を持つループは適切な SVML ライブラリー関数 (インテル® コンパイラーにより提供される) を使用して自動ベクトル化されます。自動ベクトライザーはエントリーポイントを識別し、スカラー算術ライブラリー関数に対応する SVML 関数を探し、起動します。

このループ内に sinf() と同じプロトタイプを持つユーザー定義関数 foo() への呼び出しがある場合、この呼び出し位置に foo() がインライン展開されていない限り、自動ベクトライザーはこの関数が何をするかわからないため、ループのベクトル化に失敗します。

例: ユーザー定義関数を持つループが自動ベクトル化しないケース

[D:/simd] cat example2.c
float foo(float);
void vfoo(float *restrict a, float *restrict b, int n){
 int i;
 for (i=0; i<n; i++){
  a[i] = foo(b[i]);
 }
}

コマンドライン入力と出力結果

[D:/simd] icl example2.c -nologo -O3 -Qvec-report2 -Qrestrict
example2.c
D:\simd\example2.c(4): (列 3) リマーク: ループはベクトル化されませんでした: ベクトル依存関係が存在しています。

このような場合、!DIR$ attributes vector::function-name-list 宣言を使用してループをベクトル化できます。vector 宣言を関数宣言に加えて、呼び出し元と呼び出し先の両コードを再コンパイルするだけです。これで、ループと関数はベクトル化されます。

例: vector 宣言のあるユーザー定義関数を持つループが自動ベクトル化するケース

[D:/simd] cat example3.c
// foo() と vfoo() は 同じ declspec を見ることができれば
// 同じコンパイル単位に存在する必要はありません
__declspec(vector)
float foo(float);
void vfoo(float *restrict a, float *restrict b, int n){
int i;
for (i=0; i<n; i++) {
  a[i] = foo(b[i]);
  }
}
float foo(float x) {
...
}

コマンドライン入力と出力結果

[D:/simd] icl example3.c -nologo -O3 -Qvec-report3 -Qrestrict 
example3.c
D:\simd\example3.c(9): (列 3) リマーク: ループがベクトル化されました。
D:\simd\example3.c(14): (列 3) リマーク: 関数がベクトル化されました。

vector 宣言の使用に関する制約

ベクトル化は、ハードウェアとソースコードのスタイルという 2 つの主な要因により制約されます。vector 宣言を使用する場合、使用できない機能は次のとおりです。

仮パラメーターは次のデータ型でなければなりません。

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