SIMD 해제하기

Single Instruction Multiple Data (SIMD) 명령어들은 여러 데이터 word에 동시에 덧셈 등의 작업을 실행할 수 있으며, 이를 통해 프로그램의 실행 시간을 상당히 단축할 수 있습니다. x86_64 아키텍처는 다양한 SIMD 표준들을 지원합니다:

• MMX: Multi Media Extension 명령어 집합은 1997년에 등장하였으며, mm0에서 mm7까지 8개의 64비트 레지스터들을 정의합니다. 이 레지스터들은 그저 x87 부동 소수점 장치의 레지스터들을 가리키는 별칭입니다.
• SSE: Streaming SIMD Extensions 명령어 집합은 1999년에 등장하였습니다. 부동 소수점 연산용 레지스터를 재사용하는 대신 새로운 레지스터 집합을 도입했습니다. xmm0에서 xmm15까지 16개의 새로운 128비트 레지스터를 정의합니다.
• AVX: Advanced Vector Extensions 은 SSE에 추가로 멀티미디어 레지스터의 크기를 늘리는 확장 표준입니다. ymm0에서 ymm15까지 16개의 새로운 256비트 레지스터를 정의합니다. ymm 레지스터들은 기존의 xmm 레지스터를 확장합니다 (xmm0이 ymm0 레지스터의 하부 절반을 차지하는 식으로 다른 15개의 짝에도 같은 방식의 확장이 적용됩니다).

이러한 SIMD 표준들을 사용하면 프로그램 실행 속도를 많이 향상할 수 있는 경우가 많습니다. 우수한 컴파일러는 자동 벡터화 (auto-vectorization)이라는 과정을 통해 일반적인 반복문을 SIMD 코드로 변환할 수 있습니다.

하지만 운영체제 커널은 크기가 큰 SIMD 레지스터들을 사용하기에 문제가 있습니다. 그 이유는 하드웨어 인터럽트가 일어날 때마다 커널이 사용 중이던 레지스터들의 상태를 전부 메모리에 백업해야 하기 때문입니다. 이렇게 하지 않으면 인터럽트 되었던 프로그램의 실행이 다시 진행될 때 인터럽트 당시의 프로그램 상태를 보존할 수가 없습니다. 따라서 커널이 SIMD 레지스터들을 사용하는 경우, 커널이 백업해야 하는 데이터 양이 많이 늘어나게 되어 (512-1600 바이트) 커널의 성능이 눈에 띄게 나빠집니다. 이러한 성능 손실을 피하기 위해서 sse 및 mmx 기능을 해제하는 것이 바람직합니다 (avx 기능은 해제된 상태가 기본 상태입니다).

컴파일 대상 환경 설정 파일의 features 필드를 이용해 해당 기능들을 해제할 수 있습니다. mmx 및 sse 기능을 해제하려면 아래와 같이 해당 기능 이름 앞에 빼기 기호를 붙여주면 됩니다:

"features": "-mmx,-sse"

부동소수점 (Floating Point)

우리의 입장에서는 안타깝게도, x86_64 아키텍처는 부동 소수점 계산에 SSE 레지스터를 사용합니다. 따라서 SSE 기능이 해제된 상태에서 부동 소수점 계산을 컴파일하면 LLVM이 오류를 일으킵니다. Rust의 core 라이브러리는 이미 부동 소수점 숫자들을 사용하기에 (예: f32 및 f64 에 대한 각종 trait들을 정의함), 우리의 커널에서 부동 소수점 계산을 피하더라도 부동 소수점 계산을 컴파일하는 것을 피할 수 없습니다.

다행히도 LLVM은 soft-float 기능을 지원합니다. 이 기능을 통해 정수 계만으로 모든 부동소수점 연산 결과를 모방하여 산출할 수 있습니다. 일반 부동소수점 계산보다는 느리겠지만, 이 기능을 통해 우리의 커널에서도 SSE 기능 없이 부동소수점을 사용할 수 있습니다.

우리의 커널에서 soft-float 기능을 사용하려면 컴파일 대상 환경 설정 파일의 features 필드에 덧셈 기호와 함께 해당 기능의 이름을 적어주면 됩니다:

"features": "-mmx,-sse,+soft-float"