AVX指令集作用和应用介绍 AVX指令集是什么 _生活百科

很多读者朋友可能在阅读我们的文章时经常会看到AVX指令集这个名词，比如说在CPU评测中就往往能够看到它的身影，一些新入坑的玩家可能会不明白这个名词的含义，今天这篇文章就简单介绍一下该指令集的来龙去脉，并且梳理一下它目前在实际中的应用情况。
从SIMD说起要搞明白AVX指令集的作用，首先要讲明白它是什么。定义很简单，它就是x86处理器上面的一套SIMD指令集，是经典的SSE系列指令集的直接继承者。那么SIMD又是什么呢？
在计算机刚刚出现的早期阶段，冯·诺伊曼式计算机每次输入一个指令只能够操作一对数据，比如说\”+,a,b\”可以让ab进行相加，这就是单指令流单数据流（Single Instruction Stream, Single Data Stream) 。显然，在面对大量数据的时候，这种操作数据的方法效率较低，程序员想要让一次操作就对多组数据生效，怎么办呢？单指令流多数据流操作（Single Instruction Stream, Multiple Data Stream）的思路就被引入了，它让输入一次指令就操作多组数据变成了可能。

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更直观的区别可以看上面的示意图。
上世纪八九十年代，很多处理器开发商都意识到了SIMD的前景，他们开始往自家的处理器里加入SIMD支持。1996年，Intel发布了基于新版P55C架构（最早一版Pentium处理器为P5架构）的Pentium MMX系列处理器，其中引入了新的MMX指令集，开始支持SIMD 。

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从MMX到SSE，再到AVXPentium MMX系列处理器上新引入的MMX指令集开创了x86处理器支持SIMD操作的先河，该指令集定义了8个64-bit宽度的寄存器，每个寄存器的64-bit容量中可以放入八个8-bit长度的整数或四个16-bit长度整数或两个32-bit整数，CPU在识别到MMX指令集的新指令时会自动将寄存器中的数据进行分割计算，这样一来，单个指令就成功操作了多个数据，实现了SIMD 。
但MMX毕竟太嫩，它实际上是通过复用CPU内部x87浮点单元的寄存器来实现SIMD的，所以与运行浮点运算的x87指令集有冲突，两者不能交叉使用，必须先进行切换。另外，由于上述的冲突，它只支持整数操作，在即将要到来的3D时代中显得有些不够用。
Intel当然很清楚MMX指令集的局限之处，而竞争对手新捣鼓出来的3DNow!指令集（1998年，AMD K6-2）已经支持了浮点SIMD运算，于是他们赶紧在经典的奔3处理器上面引入了新的SSE（Streaming SIMD Extensions）指令集，时间点为1999年2月份。
SSE指令集解决了MMX指令集身上存在的两大问题，通过引入新的独立寄存器解决了与浮点运算间的冲突问题，同时也就支持了浮点SIMD运算。当然它相对于MMX有很大加强，表现在它的寄存器宽度随着处理器架构的进步而达到了128-bit，这样一来一次SIMD指令能够操作更多的数据，效率上有大幅度的提高。不过初代SSE指令集的单个寄存器只支持32-bit长度的浮点数，还是有很大的局限性，这个问题在Pentium 4（Willamette，2000年）上面引入的SSE2中被解决了，SIMD操作的灵活度高了很多。
随后在约莫8年的时间里，Intel一直在更新SSE指令集，从SSE出到SSE4，AMD方面则是一直在跟进，到了SSE4.2，AMD开始想要在指令集上面寻找自己的翻身点，于是推出了只有自家支持的SSE4a子集，随后更是提前于Intel提出了SSE5 。
但Intel不干，我是x86的老大，我不能跟着你来。他们另起炉灶，准备在未来的Sandy Bridge架构中引入一套新的SIMD指令集，这套新指令集在2008年公布，被命名为高级向量扩展（Advanced Vector Extensions）。
革新的AVX，越来越宽的寄存器相比起迭代了多年的SSE系列指令集，AVX指令集带来了巨大的革新，其中最为主要的是，它在兼容SSE指令集性的同时，将SSE时代最大宽度为128-bit的寄存器拓宽到了256-bit 。
不过初代AVX指令集还是比较保守的，它没有将所有指令宽度拓宽到256-bit，而是选择停留在128-bit上面。全面进入256-bit时代这个任务，还是交给了随后的Haswell架构来完成（2013年6月份）。

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同处理器用不同指令集的能效对比
但如果以为Intel会就此停下脚步的话，那就大错特错了，他们很快捣鼓出了更宽的AVX-512指令集，顾名思义，其寄存器宽度再次加倍，来到512-bit 。
首个支持AVX-512指令集的处理器其实是Intel的Xeon Phi加速卡，首次跑到CPU上已经是Skylake-X系列了。而AVX-512也并不再是一个单一的指令集，它实际上指代的是多个指令集的集合，目前这个数字是17，之后可能还会增多。所有支持AVX-512的处理器都必须支持AVX-512 Foundation子集，从命名上也可以看出，它其实是AVX-512指令集的基础。