git.sesse.net Git - stockfish/blob - src/simd.h

   1 /*
   2   Stockfish, a UCI chess playing engine derived from Glaurung 2.1
   3   Copyright (C) 2004-2021 The Stockfish developers (see AUTHORS file)
   4
   5   Stockfish is free software: you can redistribute it and/or modify
   6   it under the terms of the GNU General Public License as published by
   7   the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
   8   (at your option) any later version.
   9
  10   Stockfish is distributed in the hope that it will be useful,
  11   but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  12   MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  13   GNU General Public License for more details.
  14
  15   You should have received a copy of the GNU General Public License
  16   along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  17 */
  18
  19 #ifndef STOCKFISH_SIMD_H_INCLUDED
  20 #define STOCKFISH_SIMD_H_INCLUDED
  21
  22 #if defined(USE_AVX2)
  23 # include <immintrin.h>
  24
  25 #elif defined(USE_SSE41)
  26 # include <smmintrin.h>
  27
  28 #elif defined(USE_SSSE3)
  29 # include <tmmintrin.h>
  30
  31 #elif defined(USE_SSE2)
  32 # include <emmintrin.h>
  33
  34 #elif defined(USE_MMX)
  35 # include <mmintrin.h>
  36
  37 #elif defined(USE_NEON)
  38 # include <arm_neon.h>
  39 #endif
  40
  41 // The inline asm is only safe for GCC, where it is necessary to get good codegen.
  42 // See https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=101693
  43 // Clang does fine without it.
  44 // Play around here: https://godbolt.org/z/7EWqrYq51
  45 #if (defined(__GNUC__) && !defined(__clang__) && !defined(__INTEL_COMPILER))
  46 #define USE_INLINE_ASM
  47 #endif
  48
  49 // Use either the AVX512 or AVX-VNNI version of the VNNI instructions.
  50 #if defined(USE_AVXVNNI)
  51 #define VNNI_PREFIX "%{vex%} "
  52 #else
  53 #define VNNI_PREFIX ""
  54 #endif
  55
  56 namespace Stockfish::Simd {
  57
  58 #if defined (USE_AVX512)
  59
  60     [[maybe_unused]] static int m512_hadd(__m512i sum, int bias) {
  61       return _mm512_reduce_add_epi32(sum) + bias;
  62     }
  63
  64     /*
  65       Parameters:
  66         sum0 = [zmm0.i128[0], zmm0.i128[1], zmm0.i128[2], zmm0.i128[3]]
  67         sum1 = [zmm1.i128[0], zmm1.i128[1], zmm1.i128[2], zmm1.i128[3]]
  68         sum2 = [zmm2.i128[0], zmm2.i128[1], zmm2.i128[2], zmm2.i128[3]]
  69         sum3 = [zmm3.i128[0], zmm3.i128[1], zmm3.i128[2], zmm3.i128[3]]
  70
  71       Returns:
  72         ret = [
  73           reduce_add_epi32(zmm0.i128[0]), reduce_add_epi32(zmm1.i128[0]), reduce_add_epi32(zmm2.i128[0]), reduce_add_epi32(zmm3.i128[0]),
  74           reduce_add_epi32(zmm0.i128[1]), reduce_add_epi32(zmm1.i128[1]), reduce_add_epi32(zmm2.i128[1]), reduce_add_epi32(zmm3.i128[1]),
  75           reduce_add_epi32(zmm0.i128[2]), reduce_add_epi32(zmm1.i128[2]), reduce_add_epi32(zmm2.i128[2]), reduce_add_epi32(zmm3.i128[2]),
  76           reduce_add_epi32(zmm0.i128[3]), reduce_add_epi32(zmm1.i128[3]), reduce_add_epi32(zmm2.i128[3]), reduce_add_epi32(zmm3.i128[3])
  77         ]
  78     */
  79     [[maybe_unused]] static __m512i m512_hadd128x16_interleave(
  80         __m512i sum0, __m512i sum1, __m512i sum2, __m512i sum3) {
  81
  82       __m512i sum01a = _mm512_unpacklo_epi32(sum0, sum1);
  83       __m512i sum01b = _mm512_unpackhi_epi32(sum0, sum1);
  84
  85       __m512i sum23a = _mm512_unpacklo_epi32(sum2, sum3);
  86       __m512i sum23b = _mm512_unpackhi_epi32(sum2, sum3);
  87
  88       __m512i sum01 = _mm512_add_epi32(sum01a, sum01b);
  89       __m512i sum23 = _mm512_add_epi32(sum23a, sum23b);
  90
  91       __m512i sum0123a = _mm512_unpacklo_epi64(sum01, sum23);
  92       __m512i sum0123b = _mm512_unpackhi_epi64(sum01, sum23);
  93
  94       return _mm512_add_epi32(sum0123a, sum0123b);
  95     }
  96
  97     [[maybe_unused]] static __m128i m512_haddx4(
  98         __m512i sum0, __m512i sum1, __m512i sum2, __m512i sum3,
  99         __m128i bias) {
 100
 101       __m512i sum = m512_hadd128x16_interleave(sum0, sum1, sum2, sum3);
 102
 103       __m256i sum256lo = _mm512_castsi512_si256(sum);
 104       __m256i sum256hi = _mm512_extracti64x4_epi64(sum, 1);
 105
 106       sum256lo = _mm256_add_epi32(sum256lo, sum256hi);
 107
 108       __m128i sum128lo = _mm256_castsi256_si128(sum256lo);
 109       __m128i sum128hi = _mm256_extracti128_si256(sum256lo, 1);
 110
 111       return _mm_add_epi32(_mm_add_epi32(sum128lo, sum128hi), bias);
 112     }
 113
 114     [[maybe_unused]] static void m512_add_dpbusd_epi32(
 115         __m512i& acc,
 116         __m512i a,
 117         __m512i b) {
 118
 119 # if defined (USE_VNNI)
 120 #   if defined (USE_INLINE_ASM)
 121       asm(
 122         "vpdpbusd %[b], %[a], %[acc]\n\t"
 123         : [acc]"+v"(acc)
 124         : [a]"v"(a), [b]"vm"(b)
 125       );
 126 #   else
 127       acc = _mm512_dpbusd_epi32(acc, a, b);
 128 #   endif
 129 # else
 130 #   if defined (USE_INLINE_ASM)
 131       __m512i tmp = _mm512_maddubs_epi16(a, b);
 132       asm(
 133           "vpmaddwd    %[tmp], %[ones], %[tmp]\n\t"
 134           "vpaddd      %[acc], %[tmp], %[acc]\n\t"
 135           : [acc]"+v"(acc), [tmp]"+&v"(tmp)
 136           : [ones]"v"(_mm512_set1_epi16(1))
 137       );
 138 #   else
 139       __m512i product0 = _mm512_maddubs_epi16(a, b);
 140       product0 = _mm512_madd_epi16(product0, _mm512_set1_epi16(1));
 141       acc = _mm512_add_epi32(acc, product0);
 142 #   endif
 143 # endif
 144     }
 145
 146     [[maybe_unused]] static void m512_add_dpbusd_epi32x2(
 147         __m512i& acc,
 148         __m512i a0, __m512i b0,
 149         __m512i a1, __m512i b1) {
 150
 151 # if defined (USE_VNNI)
 152 #   if defined (USE_INLINE_ASM)
 153       asm(
 154         "vpdpbusd %[b0], %[a0], %[acc]\n\t"
 155         "vpdpbusd %[b1], %[a1], %[acc]\n\t"
 156         : [acc]"+v"(acc)
 157         : [a0]"v"(a0), [b0]"vm"(b0), [a1]"v"(a1), [b1]"vm"(b1)
 158       );
 159 #   else
 160       acc = _mm512_dpbusd_epi32(acc, a0, b0);
 161       acc = _mm512_dpbusd_epi32(acc, a1, b1);
 162 #   endif
 163 # else
 164 #   if defined (USE_INLINE_ASM)
 165       __m512i tmp0 = _mm512_maddubs_epi16(a0, b0);
 166       __m512i tmp1 = _mm512_maddubs_epi16(a1, b1);
 167       asm(
 168           "vpaddsw     %[tmp0], %[tmp1], %[tmp0]\n\t"
 169           "vpmaddwd    %[tmp0], %[ones], %[tmp0]\n\t"
 170           "vpaddd      %[acc], %[tmp0], %[acc]\n\t"
 171           : [acc]"+v"(acc), [tmp0]"+&v"(tmp0)
 172           : [tmp1]"v"(tmp1), [ones]"v"(_mm512_set1_epi16(1))
 173       );
 174 #   else
 175       __m512i product0 = _mm512_maddubs_epi16(a0, b0);
 176       __m512i product1 = _mm512_maddubs_epi16(a1, b1);
 177       product0 = _mm512_adds_epi16(product0, product1);
 178       product0 = _mm512_madd_epi16(product0, _mm512_set1_epi16(1));
 179       acc = _mm512_add_epi32(acc, product0);
 180 #   endif
 181 # endif
 182     }
 183
 184 #endif
 185
 186 #if defined (USE_AVX2)
 187
 188     [[maybe_unused]] static int m256_hadd(__m256i sum, int bias) {
 189       __m128i sum128 = _mm_add_epi32(_mm256_castsi256_si128(sum), _mm256_extracti128_si256(sum, 1));
 190       sum128 = _mm_add_epi32(sum128, _mm_shuffle_epi32(sum128, _MM_PERM_BADC));
 191       sum128 = _mm_add_epi32(sum128, _mm_shuffle_epi32(sum128, _MM_PERM_CDAB));
 192       return _mm_cvtsi128_si32(sum128) + bias;
 193     }
 194
 195     [[maybe_unused]] static __m128i m256_haddx4(
 196         __m256i sum0, __m256i sum1, __m256i sum2, __m256i sum3,
 197         __m128i bias) {
 198
 199       sum0 = _mm256_hadd_epi32(sum0, sum1);
 200       sum2 = _mm256_hadd_epi32(sum2, sum3);
 201
 202       sum0 = _mm256_hadd_epi32(sum0, sum2);
 203
 204       __m128i sum128lo = _mm256_castsi256_si128(sum0);
 205       __m128i sum128hi = _mm256_extracti128_si256(sum0, 1);
 206
 207       return _mm_add_epi32(_mm_add_epi32(sum128lo, sum128hi), bias);
 208     }
 209
 210     [[maybe_unused]] static void m256_add_dpbusd_epi32(
 211         __m256i& acc,
 212         __m256i a,
 213         __m256i b) {
 214
 215 # if defined (USE_VNNI)
 216 #   if defined (USE_INLINE_ASM)
 217       asm(
 218         VNNI_PREFIX "vpdpbusd %[b], %[a], %[acc]\n\t"
 219         : [acc]"+v"(acc)
 220         : [a]"v"(a), [b]"vm"(b)
 221       );
 222 #   else
 223       acc = _mm256_dpbusd_epi32(acc, a, b);
 224 #   endif
 225 # else
 226 #   if defined (USE_INLINE_ASM)
 227       __m256i tmp = _mm256_maddubs_epi16(a, b);
 228       asm(
 229           "vpmaddwd    %[tmp], %[ones], %[tmp]\n\t"
 230           "vpaddd      %[acc], %[tmp], %[acc]\n\t"
 231           : [acc]"+v"(acc), [tmp]"+&v"(tmp)
 232           : [ones]"v"(_mm256_set1_epi16(1))
 233       );
 234 #   else
 235       __m256i product0 = _mm256_maddubs_epi16(a, b);
 236       product0 = _mm256_madd_epi16(product0, _mm256_set1_epi16(1));
 237       acc = _mm256_add_epi32(acc, product0);
 238 #   endif
 239 # endif
 240     }
 241
 242     [[maybe_unused]] static void m256_add_dpbusd_epi32x2(
 243         __m256i& acc,
 244         __m256i a0, __m256i b0,
 245         __m256i a1, __m256i b1) {
 246
 247 # if defined (USE_VNNI)
 248 #   if defined (USE_INLINE_ASM)
 249       asm(
 250         VNNI_PREFIX "vpdpbusd %[b0], %[a0], %[acc]\n\t"
 251         VNNI_PREFIX "vpdpbusd %[b1], %[a1], %[acc]\n\t"
 252         : [acc]"+v"(acc)
 253         : [a0]"v"(a0), [b0]"vm"(b0), [a1]"v"(a1), [b1]"vm"(b1)
 254       );
 255 #   else
 256       acc = _mm256_dpbusd_epi32(acc, a0, b0);
 257       acc = _mm256_dpbusd_epi32(acc, a1, b1);
 258 #   endif
 259 # else
 260 #   if defined (USE_INLINE_ASM)
 261       __m256i tmp0 = _mm256_maddubs_epi16(a0, b0);
 262       __m256i tmp1 = _mm256_maddubs_epi16(a1, b1);
 263       asm(
 264           "vpaddsw     %[tmp0], %[tmp1], %[tmp0]\n\t"
 265           "vpmaddwd    %[tmp0], %[ones], %[tmp0]\n\t"
 266           "vpaddd      %[acc], %[tmp0], %[acc]\n\t"
 267           : [acc]"+v"(acc), [tmp0]"+&v"(tmp0)
 268           : [tmp1]"v"(tmp1), [ones]"v"(_mm256_set1_epi16(1))
 269       );
 270 #   else
 271       __m256i product0 = _mm256_maddubs_epi16(a0, b0);
 272       __m256i product1 = _mm256_maddubs_epi16(a1, b1);
 273       product0 = _mm256_adds_epi16(product0, product1);
 274       product0 = _mm256_madd_epi16(product0, _mm256_set1_epi16(1));
 275       acc = _mm256_add_epi32(acc, product0);
 276 #   endif
 277 # endif
 278     }
 279
 280 #endif
 281
 282 #if defined (USE_SSSE3)
 283
 284     [[maybe_unused]] static int m128_hadd(__m128i sum, int bias) {
 285       sum = _mm_add_epi32(sum, _mm_shuffle_epi32(sum, 0x4E)); //_MM_PERM_BADC
 286       sum = _mm_add_epi32(sum, _mm_shuffle_epi32(sum, 0xB1)); //_MM_PERM_CDAB
 287       return _mm_cvtsi128_si32(sum) + bias;
 288     }
 289
 290     [[maybe_unused]] static __m128i m128_haddx4(
 291         __m128i sum0, __m128i sum1, __m128i sum2, __m128i sum3,
 292         __m128i bias) {
 293
 294       sum0 = _mm_hadd_epi32(sum0, sum1);
 295       sum2 = _mm_hadd_epi32(sum2, sum3);
 296       sum0 = _mm_hadd_epi32(sum0, sum2);
 297       return _mm_add_epi32(sum0, bias);
 298     }
 299
 300     [[maybe_unused]] static void m128_add_dpbusd_epi32(
 301         __m128i& acc,
 302         __m128i a,
 303         __m128i b) {
 304
 305 #   if defined (USE_INLINE_ASM)
 306       __m128i tmp = _mm_maddubs_epi16(a, b);
 307       asm(
 308           "pmaddwd    %[ones], %[tmp]\n\t"
 309           "paddd      %[tmp], %[acc]\n\t"
 310           : [acc]"+v"(acc), [tmp]"+&v"(tmp)
 311           : [ones]"v"(_mm_set1_epi16(1))
 312       );
 313 #   else
 314       __m128i product0 = _mm_maddubs_epi16(a, b);
 315       product0 = _mm_madd_epi16(product0, _mm_set1_epi16(1));
 316       acc = _mm_add_epi32(acc, product0);
 317 #   endif
 318     }
 319
 320     [[maybe_unused]] static void m128_add_dpbusd_epi32x2(
 321         __m128i& acc,
 322         __m128i a0, __m128i b0,
 323         __m128i a1, __m128i b1) {
 324
 325 #   if defined (USE_INLINE_ASM)
 326       __m128i tmp0 = _mm_maddubs_epi16(a0, b0);
 327       __m128i tmp1 = _mm_maddubs_epi16(a1, b1);
 328       asm(
 329           "paddsw     %[tmp1], %[tmp0]\n\t"
 330           "pmaddwd    %[ones], %[tmp0]\n\t"
 331           "paddd      %[tmp0], %[acc]\n\t"
 332           : [acc]"+v"(acc), [tmp0]"+&v"(tmp0)
 333           : [tmp1]"v"(tmp1), [ones]"v"(_mm_set1_epi16(1))
 334       );
 335 #   else
 336       __m128i product0 = _mm_maddubs_epi16(a0, b0);
 337       __m128i product1 = _mm_maddubs_epi16(a1, b1);
 338       product0 = _mm_adds_epi16(product0, product1);
 339       product0 = _mm_madd_epi16(product0, _mm_set1_epi16(1));
 340       acc = _mm_add_epi32(acc, product0);
 341 #   endif
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