add slides
[libreriscv.git] / simple_v_extension / simple_v_chennai_2018.tex
index 8cec8922e9c877d6a9922d40fce87bb2f7494817..902f7cc22a4ca9583b362fa488bdd1fff3d17c54 100644 (file)
 
 \frame{
    \begin{center}
-    \huge{Simple-V RISC-V Extension for Vectors and SIMD}\\
+    \huge{Simple-V RISC-V Parallelism Abstraction Extension}\\
     \vspace{32pt}
     \Large{Flexible Vectorisation}\\
     \Large{(aka not so Simple-V?)}\\
-    \Large{(aka How to Parallelise the RISC-V ISA)}\\
+    \Large{(aka A Parallelism API for the RISC-V ISA)}\\
     \vspace{24pt}
     \Large{[proposed for] Chennai 9th RISC-V Workshop}\\
     \vspace{16pt}
@@ -50,7 +50,7 @@
    https://sigarch.org/simd-instructions-considered-harmful
    \item Setup and corner-cases alone are extremely complex.\\
             Hardware is easy, but software is hell.
-   \item O($N^{6}$) ISA opcode proliferation!\\
+   \item O($N^{6}$) ISA opcode proliferation (1000s of instructions)\\
             opcode, elwidth, veclen, src1-src2-dest hi/lo
   \end{itemize}
 }
 \frame{\frametitle{Quick refresher on RVV}
 
  \begin{itemize}
-   \item Extremely powerful (extensible to 256 registers)\vspace{10pt}
-   \item Supports polymorphism, several datatypes (inc. FP16)\vspace{10pt}
-   \item Requires a separate Register File (32 w/ext to 256)\vspace{10pt}
-   \item Implemented as a separate pipeline (no impact on scalar)\vspace{10pt}
-  \end{itemize}
-  However...\vspace{10pt}
+   \item Effectively a variant of SIMD / SIMT (arbitrary length)\vspace{4pt}
+   \item Fascinatingly, despite being a SIMD-variant, RVV only has
+         O(N) opcode proliferation! (extremely well designed)
+   \item Extremely powerful (extensible to 256 registers)\vspace{4pt}
+   \item Supports polymorphism, several datatypes (inc. FP16)\vspace{4pt}
+   \item Requires a separate Register File (32 w/ext to 256)\vspace{4pt}
+   \item Implemented as a separate pipeline (no impact on scalar)
+  \end{itemize}
+  However...
    \begin{itemize}
-   \item 98 percent opcode duplication with rest of RV (CLIP)
+   \item 98 percent opcode duplication with rest of RV
    \item Extending RVV requires customisation not just of h/w:\\
             gcc, binutils also need customisation (and maintenance)
   \end{itemize}
@@ -87,7 +90,7 @@
             adding a level of indirection,
             SV expresses how existing instructions should act 
             on [contiguous] blocks of registers, in parallel, WITHOUT
-            needing new any actual extra arithmetic opcodes.
+            needing any new extra arithmetic opcodes.
    \item What?
                 Simple-V is an "API" that implicitly extends
                 existing (scalar) instructions with explicit parallelisation\\
    \item memcpy becomes much smaller (higher bang-per-buck)
    \item context-switch (LOAD/STORE multiple): 1-2 instructions
    \item Compressed instrs further reduces I-cache (etc.)
-   \item Greatly-reduced I-cache load (and less reads)
-   \item Amazingly, SIMD becomes (more) tolerable (no corner-cases)
+   \item Reduced I-cache load (and less I-reads)
+   \item Amazingly, SIMD becomes tolerable (no corner-cases)
    \item Modularity/Abstraction in both the h/w and the toolchain.
    \item "Reach" of registers accessible by Compressed is enhanced
    \item Future: double the standard INT/FP register file sizes.
 \frame{\frametitle{How does Simple-V relate to RVV? What's different?}
 
  \begin{itemize}
-   \item RVV very heavy-duty (excellent for supercomputing)\vspace{8pt}
-   \item Simple-V abstracts parallelism (based on best of RVV)\vspace{8pt}
-   \item Graded levels: hardware, hybrid or traps (fit impl. need)\vspace{8pt}
-   \item Even Compressed become vectorised (RVV can't)\vspace{8pt}
-   \item No polymorphism in SV (too complex)\vspace{8pt}
+   \item RVV very heavy-duty (excellent for supercomputing)\vspace{4pt}
+   \item Simple-V abstracts parallelism (based on best of RVV)\vspace{4pt}
+   \item Graded levels: hardware, hybrid or traps (fit impl. need)\vspace{4pt}
+   \item Even Compressed become vectorised (RVV can't)\vspace{4pt}
+   \item No polymorphism in SV (too complex)\vspace{4pt}
   \end{itemize}
   What Simple-V is not:\vspace{4pt}
    \begin{itemize}
-   \item A full supercomputer-level Vector Proposal
+   \item A full supercomputer-level Vector Proposal\\
+            (it's not actually a Vector Proposal at all!)
    \item A replacement for RVV (SV is designed to be over-ridden\\
             by - or augmented to become - RVV)
   \end{itemize}
          registers are reinterpreted through a level of indirection
    \item Primarily at the Instruction issue phase (except SIMD)\\
          Note: it's ok to pass predication through to ALU (like SIMD)
-   \item Standard (and future, and custom) opcodes now parallel\vspace{10pt}
+   \item Standard and future and custom opcodes now parallel\\
+         (crucially: with NO extra instructions needing to be added)
   \end{itemize}
-  Note: EVERYTHING is parallelised:
+  Note: EVERY scalar op now paralleliseable
    \begin{itemize}
    \item All LOAD/STORE (inc. Compressed, Int/FP versions)
    \item All ALU ops (Int, FP, SIMD, DSP, everything)
-   \item All branches become predication targets (C.FNE added?)
+   \item All branches become predication targets (note: no FNE)
    \item C.MV of particular interest (s/v, v/v, v/s)
    \item FCVT, FMV, FSGNJ etc. very similar to C.MV
   \end{itemize}
    \item "2nd FP\&INT register bank" possibility, reserved for future\\
          (would allow standard regfiles to remain unmodified)
    \item Element width concept remain same as RVV\\
-            (CSRs give new size to elements in registers)
+            (CSRs give new size: overrides opcode-defined meaning)
    \item CSRs are key-value tables (overlaps allowed: v. important)
   \end{itemize}
   Key differences from RVV:
    \begin{itemize}
    \item Predication in INT reg as a BIT field (max VL=XLEN)
    \item Minimum VL must be Num Regs - 1 (all regs single LD/ST)
-   \item SV may condense sparse Vecs: RVV lets ALU do predication
-   \item Choice to Zero or skip non-predicated elements
+   \item SV may condense sparse Vecs: RVV cannot (SIMD-like):\\
+         SV gives choice to Zero or skip non-predicated elements\\
+         (no such choice in RVV: zeroing-only)
   \end{itemize}
 }
 
@@ -186,9 +192,9 @@ function op\_add(rd, rs1, rs2, predr) # add not VADD!
   for (i = 0; i < VL; i++)
     if (ireg[predr] & 1<<i) # predication uses intregs
        ireg[rd+id] <= ireg[rs1+irs1] + ireg[rs2+irs2];
-    if (reg\_is\_vectorised[rd]) \{ id += 1; \}
-    if (reg\_is\_vectorised[rs1]) \{ irs1 += 1; \}
-    if (reg\_is\_vectorised[rs2]) \{ irs2 += 1; \}
+    if (reg\_is\_vectorised[rd] )  \{ id += 1; \}
+    if (reg\_is\_vectorised[rs1])  \{ irs1 += 1; \}
+    if (reg\_is\_vectorised[rs2])  \{ irs2 += 1; \}
 \end{semiverbatim}
 
   \begin{itemize}
@@ -233,7 +239,7 @@ for (int i = 0; i < VL; ++i)
 if (unit-strided) stride = elsize;
 else stride = areg[as2]; // constant-strided
 for (int i = 0; i < VL; ++i)
-  if (preg\_enabled[rd] && ([!]preg[rd] & 1<<i))
+  if ([!]preg[rd] & 1<<i)
     for (int j = 0; j < seglen+1; j++)
       if (reg\_is\_vectorised[rs2]) offs = vreg[rs2+i]
       else offs = i*(seglen+1)*stride;
@@ -247,7 +253,7 @@ for (int i = 0; i < VL; ++i)
 \end{frame}
 
 
-\frame{\frametitle{Register key-value CSR store}
+\frame{\frametitle{Register key-value CSR store (lookup table / CAM)}
 
  \begin{itemize}
    \item key is int regfile number or FP regfile number (1 bit)
@@ -295,21 +301,21 @@ for (int i = 0; i < VL; ++i)
 \frametitle{Register key-value CSR table decoding pseudocode}
 
 \begin{semiverbatim}
-struct vectorised fp\_vec[32], int\_vec[32]; // 64 in future
-
+struct vectorised fp\_vec[32], int\_vec[32];
 for (i = 0; i < 16; i++) // 16 CSRs?
    tb = int\_vec if CSRvec[i].type == 0 else fp\_vec
    idx = CSRvec[i].regkey // INT/FP src/dst reg in opcode
    tb[idx].elwidth  = CSRvec[i].elwidth
    tb[idx].regidx   = CSRvec[i].regidx  // indirection
+   tb[idx].regidx  += CSRvec[i].bank << 5 // 0 (1=rsvd)
    tb[idx].isvector = CSRvec[i].isvector
    tb[idx].packed   = CSRvec[i].packed  // SIMD or not
-   tb[idx].bank     = CSRvec[i].bank    // 0 (1=rsvd)
+   tb[idx].enabled  = true
 \end{semiverbatim}
 
  \begin{itemize}
    \item All 32 int (and 32 FP) entries zero'd before setup
-   \item Might be a bit complex to set up in hardware (TBD)
+   \item Might be a bit complex to set up in hardware (keep as CAM?)
   \end{itemize}
 
 \end{frame}
@@ -318,16 +324,17 @@ for (i = 0; i < 16; i++) // 16 CSRs?
 \frame{\frametitle{Predication key-value CSR store}
 
  \begin{itemize}
-   \item key is int regfile number or FP regfile number (1 bit)\vspace{6pt}
-   \item register to be predicated if referred to (5 bits, key)\vspace{6pt}
-   \item INT reg with actual predication mask (5 bits, value)\vspace{6pt}
-   \item predication is inverted Y/N (1 bit)\vspace{6pt}
-   \item non-predicated elements are to be zero'd Y/N (1 bit)\vspace{6pt}
+   \item key is int regfile number or FP regfile number (1 bit)
+   \item register to be predicated if referred to (5 bits, key)
+   \item INT reg with actual predication mask (5 bits, value)
+   \item predication is inverted Y/N (1 bit)
+   \item non-predicated elements are to be zero'd Y/N (1 bit)
+   \item register bank: 0/reserved for future ext. (1 bit)
   \end{itemize}
   Notes:\vspace{10pt}
    \begin{itemize}
    \item Table should be expanded out for high-speed implementations
-   \item Multiple "keys" (and values) theoretically permitted
+   \item Key-value overlaps permitted, but (key+type) must be unique
    \item RVV rules about deleting higher-indexed CSRs followed
   \end{itemize}
 }
@@ -338,19 +345,20 @@ for (i = 0; i < 16; i++) // 16 CSRs?
 
 \begin{semiverbatim}
 struct pred fp\_pred[32], int\_pred[32];
-
 for (i = 0; i < 16; i++) // 16 CSRs?
    tb = int\_pred if CSRpred[i].type == 0 else fp\_pred
    idx = CSRpred[i].regkey
-   tb[idx].zero     = CSRpred[i].zero
-   tb[idx].inv      = CSRpred[i].inv
-   tb[idx].predidx  = CSRpred[i].predidx
+   tb[idx].zero     = CSRpred[i].zero    // zeroing
+   tb[idx].inv      = CSRpred[i].inv     // inverted
+   tb[idx].predidx  = CSRpred[i].predidx // actual reg
+   tb[idx].predidx += CSRvec[i].bank << 5 // 0 (1=rsvd)
    tb[idx].enabled  = true
 \end{semiverbatim}
 
  \begin{itemize}
-   \item All 32 int and 32 FP entries zero'd before setting
-   \item Might be a bit complex to set up in hardware (TBD)
+   \item All 32 int and 32 FP entries zero'd before setting\\
+            (predication disabled)
+   \item Might be a bit complex to set up in hardware (keep as CAM?)
   \end{itemize}
 
 \end{frame}
@@ -362,9 +370,9 @@ for (i = 0; i < 16; i++) // 16 CSRs?
 \begin{semiverbatim}
 def get\_pred\_val(bool is\_fp\_op, int reg):
    tb = int\_pred if is\_fp\_op else fp\_pred
-   if (!tb[reg].enabled):
-      return ~0x0              // all ops enabled
-   predidx = tb[reg].predidx   // redirection occurs HERE
+   if (!tb[reg].enabled): return ~0x0 // all ops enabled
+   predidx  = tb[reg].predidx  // redirection occurs HERE
+   predidx += tb[reg].bank << 5 // 0 (1=rsvd)
    predicate = intreg[predidx] // actual predicate HERE
    if (tb[reg].inv):
       predicate = ~predicate   // invert ALL bits
@@ -411,7 +419,7 @@ def get\_pred\_val(bool is\_fp\_op, int reg):
 
  \begin{itemize}
    \item Absolute minimum: Exceptions: if CSRs indicate "V", trap.\\
-         (Requires as absolute minimum that CSRs be in H/W)
+         (Requires as absolute minimum that CSRs be in Hardware)
    \item Hardware loop, single-instruction issue\\
                 (Do / Don't send through predication to ALU)
    \item Hardware loop, parallel (multi-instruction) issue\\
@@ -421,7 +429,7 @@ def get\_pred\_val(bool is\_fp\_op, int reg):
   Notes:\vspace{4pt}
   \begin{itemize}
    \item 4 (or more?) options above may be deployed on per-op basis
-   \item SIMD always sends predication bits through to ALU
+   \item SIMD always sends predication bits to ALU (if requested)
    \item Minimum MVL MUST be sufficient to cover regfile LD/ST
    \item Instr. FIFO may repeatedly split off N scalar ops at a time
   \end{itemize}
@@ -433,7 +441,7 @@ def get\_pred\_val(bool is\_fp\_op, int reg):
 % but MODIFYING the remaining "vectorised" op, subtracting the now
 % scalar ops from it.
 
-\frame{\frametitle{Predicated 8-parallel ADD: 1-wide ALU}
+\frame{\frametitle{Predicated 8-parallel ADD: 1-wide ALU (no zeroing)}
  \begin{center}
   \includegraphics[height=2.5in]{padd9_alu1.png}\\
   {\bf \red Predicated adds are shuffled down: 6 cycles in total}
@@ -441,7 +449,7 @@ def get\_pred\_val(bool is\_fp\_op, int reg):
 }
 
 
-\frame{\frametitle{Predicated 8-parallel ADD: 4-wide ALU}
+\frame{\frametitle{Predicated 8-parallel ADD: 4-wide ALU (no zeroing)}
  \begin{center}
   \includegraphics[height=2.5in]{padd9_alu4.png}\\
   {\bf \red Predicated adds are shuffled down: 4 in 1st cycle, 2 in 2nd}
@@ -485,15 +493,15 @@ function op\_add(rd, rs1, rs2) # add not VADD!
 
  \begin{itemize}
    \item SIMD ALU(s) primarily unchanged
-   \item Predication is added down each SIMD element (if requested,
-         otherwise entire block will be predicated as a group)
+   \item Predication added down to each SIMD element (if requested,
+         otherwise entire block will be predicated as a whole)
    \item Predication bits sent in groups to the ALU (if requested,
          otherwise just one bit for the entire packed block)
    \item End of Vector enables (additional) predication:
             completely nullifies end-case code (ONLY in multi-bit
             predication mode)
   \end{itemize}
-  Considerations:\vspace{4pt}
+  Considerations:
    \begin{itemize}
    \item Many SIMD ALUs possible (parallel execution)
    \item Implementor free to choose (API remains the same)
@@ -506,7 +514,7 @@ function op\_add(rd, rs1, rs2) # add not VADD!
 % or they can be used to cover several operations on totally different
 % vectors / registers.
 
-\frame{\frametitle{Predicated 9-parallel SIMD ADD}
+\frame{\frametitle{Predicated 9-parallel SIMD ADD (Packed=Y)}
  \begin{center}
   \includegraphics[height=2.5in]{padd9_simd.png}\\
   {\bf \red 4-wide 8-bit SIMD, 4 bits of predicate passed to ALU}
@@ -517,7 +525,8 @@ function op\_add(rd, rs1, rs2) # add not VADD!
 \frame{\frametitle{Why are overlaps allowed in Regfiles?}
 
  \begin{itemize}
-   \item Same register(s) can have multiple "interpretations"
+   \item Same target register(s) can have multiple "interpretations"
+   \item CSRs are costly to write to (do it once)
    \item Set "real" register (scalar) without needing to set/unset CSRs.
    \item xBitManip plus SIMD plus xBitManip = Hi/Lo bitops
    \item (32-bit GREV plus 4x8-bit SIMD plus 32-bit GREV:\\
@@ -528,7 +537,7 @@ function op\_add(rd, rs1, rs2) # add not VADD!
   \end{itemize}
   Note:
    \begin{itemize}
-   \item xBitManip reduces O($N^{6}$) SIMD down to O($N^{3}$)
+   \item xBitManip reduces O($N^{6}$) SIMD down to O($N^{3}$) on its own.
    \item Hi-Performance: Macro-op fusion (more pipeline stages?)
   \end{itemize}
 }
@@ -542,15 +551,15 @@ function op\_add(rd, rs1, rs2) # add not VADD!
    \item scalar-to-vector (w/ 1-bit dest-pred): VINSERT
    \item vector-to-scalar (w/ [1-bit?] src-pred): VEXTRACT
    \item vector-to-vector (w/ no pred): Vector Copy
-   \item vector-to-vector (w/ src pred): Vector Gather
-   \item vector-to-vector (w/ dest pred): Vector Scatter
+   \item vector-to-vector (w/ src pred): Vector Gather (inc VSLIDE)
+   \item vector-to-vector (w/ dest pred): Vector Scatter (inc. VSLIDE)
    \item vector-to-vector (w/ src \& dest pred): Vector Gather/Scatter
   \end{itemize}
   \vspace{4pt}
   Notes:
    \begin{itemize}
    \item Surprisingly powerful! Zero-predication even more so
-   \item Same arrangement for FVCT, FMV, FSGNJ etc.
+   \item Same arrangement for FCVT, FMV, FSGNJ etc.
   \end{itemize}
 }
 
@@ -678,7 +687,7 @@ loop:
  CSRvect1 = \{type: F, key: a3, val: a3, elwidth: dflt\}
  CSRvect2 = \{type: F, key: a7, val: a7, elwidth: dflt\}
 loop:
- setvl  t0, a0, 4       # vl = t0 = min(4, n)
+ setvl  t0, a0, 4       # vl = t0 = min(min(mvl, 4, n))
  ld     a3, a1          # load 4 registers a3-6 from x
  slli   t1, t0, 3       # t1 = vl * 8 (in bytes)
  ld     a7, a2          # load 4 registers a7-10 from y
@@ -692,7 +701,7 @@ loop:
 \end{frame}
 
 
-\frame{\frametitle{Under consideration}
+\frame{\frametitle{Under consideration (some answers documented)}
 
  \begin{itemize}
    \item Should future extra bank be included now?
@@ -707,6 +716,7 @@ loop:
    \item 8/16-bit ops is it worthwhile adding a "start offset"? \\
          (a bit like misaligned addressing... for registers)\\
          or just use predication to skip start?
+   \item see http://libre-riscv.org/simple\_v\_extension/\#issues
   \end{itemize}
 }
 
@@ -720,7 +730,7 @@ loop:
    \item An extra pipeline phase almost certainly essential\\
          for fast low-latency implementations\vspace{4pt}
    \item With zeroing off, skipping non-predicated elements is hard:\\
-         it is however an optimisation (and could be skipped).\vspace{4pt}
+         it is however an optimisation (and need not be done).\vspace{4pt}
    \item Setting up the Register/Predication tables (interpreting the\\
             CSR key-value stores) might be a bit complex to optimise
             (any change to a CSR key-value entry needs to redo the table)