스트리밍 SIMD 확장
1. 개요
스트리밍 SIMD 확장(SSE)은 x86 아키텍처에 추가된 일련의 SIMD(Single Instruction, Multiple Data) 명령어 집합으로, 데이터 병렬 처리를 통해 성능을 향상시킨다. 128비트 XMM 레지스터를 사용하며, 부동 소수점 및 정수 연산을 지원한다. SSE는 1999년 인텔 펜티엄 III 프로세서에 처음 도입되었으며, 이후 SSE2, SSE3, SSSE3, SSE4, AVX, AVX2, AVX-512, AMX 등 여러 후속 버전으로 발전했다. 이러한 확장 명령어들은 컴퓨터 그래픽, 비디오 처리 등 다양한 분야에서 활용되며, CPU-Z, lscpu 등의 유틸리티를 통해 지원 버전을 확인할 수 있다.
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X86 명령어 -
SSE2
SSE2는 인텔이 개발한 x86 아키텍처의 SIMD 명령어 집합 확장으로, MMX 명령어의 정수 벡터 연산을 확장하고 XMM 레지스터를 사용하여 부동 소수점 연산 성능을 향상시키며, AMD64 아키텍처에서도 지원된다. -
X86 명령어 -
SSE3
SSE3는 인텔에서 개발한 스트리밍 SIMD 확장 3 명령어 세트로, 부동 소수점 연산, 디지털 신호 처리, 3차원 컴퓨터 그래픽 처리 성능 향상을 위해 기존 SSE2 명령어 세트에 몇 가지 새로운 명령어를 추가한 것이다. -
중앙 처리 장치 -
마이크로컨트롤러
마이크로컨트롤러는 프로세서, 메모리, 입출력 기능을 단일 칩에 통합하여 임베디드 시스템의 핵심이 되는 부품으로, 프로그램 내장 방식을 통해 소프트웨어만으로 제어 기능 변경이 가능하며, 현재는 32비트 ARM, MIPS 아키텍처 기반 제품이 주를 이루고, 저전력 소모, 소형화, 다양한 기능 통합을 특징으로 다양한 분야에서 활용된다. -
중앙 처리 장치 -
NX 비트
NX 비트는 하드웨어 기반 보안 기능으로, 메모리 페이지의 실행 권한을 제어하여 특정 영역에서 코드 실행을 막아 버퍼 오버플로 공격과 같은 보안 위협을 줄이는 데 사용되며, AMD에서 처음 도입 후 다양한 프로세서와 운영체제에서 DEP 등의 이름으로 구현되었다.
2. 레지스터
SSE는 x86 아키텍처에 XMM0~XMM7까지 8개의 128비트 레지스터를 추가했다. x86-64에서는 XMM8 ~ XMM15까지 8개의 레지스터가 추가되어 총 16개의 XMM 레지스터를 사용할 수 있다(단, 64비트 모드에서만 사용 가능). SSE 명령어의 상태 및 제어에는 32비트 MXCSR 레지스터가 사용된다.
SSE는 XMM 레지스터에 4개의 32비트 단정밀도 부동소수점을 저장하는 형식을 사용했다. 하나의 레지스터에 4개의 값이 들어가는 형태였다. SSE는 정수 계산을 지원하지 않았지만, MMX 명령어를 사용하는 방식으로 이를 해결할 수 있었다.
운영 체제는 컨텍스트 스위치 시 XMM 레지스터 값을 보존해야 하므로, 명시적으로 활성화하기 전까지는 SSE 레지스터 사용이 불가능하다.
2.1. 지원 자료형 (SSE2 이후)
SSE2는 SSE를 확장하여 다음과 같은 자료형을 지원한다.
| 자료형 |
|---|
| 2개의 64비트 배정밀도 부동소수점 |
| 2개의 64비트 정수 |
| 4개의 32비트 정수 |
| 8개의 16비트 정수 |
| 16개의 8비트 정수 |
이 128비트 레지스터는 운영 체제가 컨텍스트 스위치 때 보존해야 하는 추가적인 기계 상태이므로, 운영 체제가 명시적으로 활성화하기 전까지는 기본적으로 비활성화되어 있다. 즉, 운영 체제는 모든 x86 및 SSE 레지스터 상태를 한 번에 저장할 수 있는 확장된 명령 쌍인 `FXSAVE` 및 `FXRSTOR` 명령을 사용하는 방법을 알아야 한다.
3. SSE 명령어
SSE는 x86 아키텍처에 8개의 128비트 레지스터를 새로 도입하여 부동 소수점 연산의 SIMD 처리를 구현한 것이다. AMD의 K6-2에 탑재된 SIMD 확장 명령어 3DNow!에 대항하는 형태로 펜티엄 III부터 구현되었다. 4개의 32비트 단정밀도 부동 소수점 데이터를 하나의 레지스터에 저장하여 동일한 명령을 일괄 처리할 수 있다. 확장 명령이기 때문에 해당 기능을 사용하려면 SSE를 지원하는 소스 코드를 작성하고, 프로그램을 컴파일해야 한다.
SSE는 부동소수점 명령어와 정수 명령어, MXCSR 관리, 캐시 및 메모리 관리 명령어를 포함한다.
원래는 인터넷 스트리밍 SIMD 확장 명령 (Internet Streaming SIMD Extensions영어)이라고 불렸지만, 명령 내용 자체가 인터넷과 직접적인 관련이 없고 마케팅적인 요소가 강했기 때문에 현재는 인터넷이라는 문구가 삭제되어 단순히 SSE라고 불리고 있다.
3.1. 부동소수점 명령어
SSE는 메모리-레지스터, 레지스터-메모리, 레지스터-레지스터 간 데이터 이동, 산술 연산, 비교, 데이터 셔플 및 언패킹, 자료형 변환, 비트 단위 논리 연산 등 다양한 부동소수점 명령어를 제공한다.
| 구분 | 종류 | 명령어 |
|---|---|---|
| 메모리-레지스터/레지스터-메모리/레지스터-레지스터 데이터 이동 | 스칼라 | `MOVSS` |
| 팩킹 | `MOVAPS`, `MOVUPS`, `MOVLPS`, `MOVHPS`, `MOVLHPS`, `MOVHLPS`, `MOVMSKPS` | |
| 산술 연산 | 스칼라 | `ADDSS`, `SUBSS`, `MULSS`, `DIVSS`, `RCPSS`, `SQRTSS`, `MAXSS`, `MINSS`, `RSQRTSS` |
| 팩킹 | `ADDPS`, `SUBPS`, `MULPS`, `DIVPS`, `RCPPS`, `SQRTPS`, `MAXPS`, `MINPS`, `RSQRTPS` | |
| 비교 | 스칼라 | `CMPSS`, `COMISS`, `UCOMISS` |
| 팩킹 | `CMPPS` | |
| 데이터 셔플 및 언패킹 | 팩킹 | `SHUFPS`, `UNPCKHPS`, `UNPCKLPS` |
| 자료형 변환 | 스칼라 | `CVTSI2SS`, `CVTSS2SI`, `CVTTSS2SI` |
| 팩킹 | `CVTPI2PS`, `CVTPS2PI`, `CVTTPS2PI` | |
| 비트 단위 논리 연산 | 팩킹 | `ANDPS`, `ORPS`, `XORPS`, `ANDNPS` |
3.2. 정수 명령어
산술
* PMULHUW, PSADBW, PAVGB, PAVGW, PMAXUB, PMINUB, PMAXSW, PMINSW
데이터 이동
* PEXTRW, PINSRW
기타
* PMOVMSKB, PSHUFW
3.3. 기타 명령어
* MXCSR 관리
* LDMXCSR, STMXCSR
* 캐시 및 메모리 관리
* MOVNTQ, MOVNTPS, MASKMOVQ, PREFETCH0, PREFETCH1, PREFETCH2, PREFETCHNTA, SFENCE
4. SSE의 이점 (예시)
SSE는 여러 개의 연산을 한 번에 처리해야 하는 경우, 코드 크기를 줄이고 성능을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 컴퓨터 그래픽에서 자주 사용되는 벡터 덧셈을 생각해 보자.
x87을 사용하면 두 개의 단정밀도 4-성분 벡터를 더하기 위해 4개의 부동 소수점 덧셈 명령어가 필요하다.
```c
vec_res.x = v1.x + v2.x;
vec_res.y = v1.y + v2.y;
vec_res.z = v1.z + v2.z;
vec_res.w = v1.w + v2.w;
```
이는 오브젝트 코드에서 4개의 x87 `FADD` 명령어에 해당한다.
반면, SSE를 사용하면 하나의 128비트 'packed-add' 명령어로 4개의 스칼라 덧셈 명령어를 대체할 수 있다.
```nasm
movaps xmm0, [v1] ;xmm0 = v1.w | v1.z | v1.y | v1.x
addps xmm0, [v2] ;xmm0 = v1.w+v2.w | v1.z+v2.z | v1.y+v2.y | v1.x+v2.x
movaps [vec_res], xmm0
5. 후속 버전
* SSE2는 펜티엄 4와 함께 도입되었으며, SSE를 크게 개선하였다. 모든 SSE 연산에 대해 배정밀도(64비트) 부동 소수점을 지원하고, 128비트 XMM 레지스터에서 MMX 정수 연산을 지원한다. 이를 통해 프로그래머는 XMM 벡터 레지스터 파일을 사용하여 모든 데이터 유형에 대해 SIMD 연산을 수행할 수 있게 되었다.
* SSE3는 SSE2의 점진적인 업그레이드로, DSP 지향적인 수학 명령어와 일부 프로세스(스레드) 관리 명령어를 추가하였다. 또한, 동일 레지스터 내 두 숫자의 덧셈, 곱셈을 지원하여 3DNow! 확장과 유사한 기능을 제공한다.
* SSSE3는 SSE3를 업그레이드하여 단어 내 바이트 치환, 16비트 고정 소수점 숫자 곱셈 및 반올림, 단어 내 누산 명령어 등 16개의 새로운 명령어를 추가하였다.
* SSE4는 내적 명령어, 추가 정수 명령어, 개체 수 계산을 위한 `POPCNT` 명령어 등을 추가하여 기능을 더욱 확장하였다.
* AMD의 SSE5는 XOP, FMA4, CVT16 등을 포함한다.
* AVX는 인텔이 발표한 SSE의 고급 버전으로, 데이터 경로를 128비트에서 256비트로 확장하고 3-피연산자 명령어를 도입하였다. 2011년 초 AVX 지원 프로세서가 출시되었다.
* AVX2는 AVX 명령어 집합을 확장한 것이다.
* AVX-512는 x86 명령어 집합에 대한 512비트 확장이다.
* FMA (Fused Multiply-Add)는 융합 곱셈-덧셈 연산을 위한 명령어로, FMA4와 FMA3 두 가지 계통이 혼재하다가 젠 마이크로아키텍처에서 FMA4가 삭제되면서 FMA3으로 통일되었다.
* 인텔 고급 행렬 확장(AMX)는 행렬 연산을 위한 확장 명령어이다.
6. SSE 버전 확인 방법
다음 프로그램들을 사용하여 시스템에서 지원하는 SSE 버전을 확인할 수 있다.
* 인텔 프로세서 식별 유틸리티
* CPU-Z - CPU, 마더보드 및 메모리 식별 유틸리티.
* lscpu - 대부분의 리눅스 배포판에서 util-linux 패키지를 통해 제공.
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7. 역사
* 1999년 2월: 인텔이 SSE를 탑재한 펜티엄 III 프로세서를 발표하였다.
* 2000년 3월: 인텔이 SSE를 탑재한 셀러론 프로세서를 발표하였다.
* 2000년 11월: 인텔이 SSE2를 탑재한 펜티엄 4 프로세서를 발표하였다.
* 2004년 2월: 인텔이 SSE3를 탑재한 펜티엄 4 프로세서를 발표하였다.
* 2006년 7월: 인텔이 SSSE3를 탑재한 인텔 코어 2 프로세서를 발표하였다.
* 2007년 8월: AMD가 SSE5를 발표하였다.
* 2007년 11월: 인텔이 SSE4.1을 탑재한 인텔 코어 2 프로세서를 발표하였다.
* 2007년 11월: AMD가 SSE4a를 탑재한 페넘을 발표하였다.
* 2008년 11월: 인텔이 SSE4.2를 탑재한 1세대 인텔 코어 i7 프로세서를 발표하였다.
* 2011년 1월: 인텔이 AVX를 탑재한 2세대 인텔 코어 i7 프로세서를 발표하였다.
* 2011년 10월: AMD가 FMA를 탑재한 AMD FX 프로세서를 발표하였다.
* 2013년 6월: 인텔이 AVX2를 탑재한 4세대 인텔 코어 i7 프로세서를 발표하였다.
* 2016년 6월: 인텔이 AVX-512를 탑재한 2세대 인텔 제온 파이 코프로세서를 발표하였다.
* 2023년 1월: 인텔이 AMX를 탑재한 4세대 인텔 제온 SP를 발표하였다.