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Remove handcrafted MMX code
[stockfish] / src / nnue / layers / affine_transform.h
index 710ab8a7d9d5675599728b45a7cacefbff8e216f..fc65c34339ff35bb44f69dee3a85285de69eb51b 100644 (file)
 #ifndef NNUE_LAYERS_AFFINE_TRANSFORM_H_INCLUDED
 #define NNUE_LAYERS_AFFINE_TRANSFORM_H_INCLUDED
 
+#include <cstdint>
 #include <iostream>
-#include <algorithm>
-#include <type_traits>
+
 #include "../nnue_common.h"
 #include "simd.h"
 
 /*
   This file contains the definition for a fully connected layer (aka affine transform).
-  Two approaches are employed, depending on the sizes of the transform.
-
-  Approach 1:
-    - used when the PaddedInputDimensions >= 128
-    - uses AVX512 if possible
-    - processes inputs in batches of 2*InputSimdWidth
-      - so in batches of 128 for AVX512
-    - the weight blocks of size InputSimdWidth are transposed such that
-      access is sequential
-    - N columns of the weight matrix are processed a time, where N
-      depends on the architecture (the amount of registers)
-    - accumulate + hadd is used
-
-  Approach 2:
-    - used when the PaddedInputDimensions < 128
-    - does not use AVX512
+
     - expected use-case is for when PaddedInputDimensions == 32 and InputDimensions <= 32.
       - that's why AVX512 is hard to implement
     - expected use-case is small layers
-      - not optimized as well as the approach 1
     - inputs are processed in chunks of 4, weights are respectively transposed
     - accumulation happens directly to int32s
 */
 namespace Stockfish::Eval::NNUE::Layers {
 
 // Fallback implementation for older/other architectures.
-// Identical for both approaches. Requires the input to be padded to at least 16 values.
+// Requires the input to be padded to at least 16 values.
 #if !defined(USE_SSSE3)
   template <IndexType InputDimensions, IndexType PaddedInputDimensions, IndexType OutputDimensions>
   static void affine_transform_non_ssse3(std::int32_t* output, const std::int8_t* weights, const std::int32_t* biases, const std::uint8_t* input)
   {
+# if defined(USE_SSE2) || defined(USE_NEON_DOTPROD) || defined(USE_NEON)
 # if defined(USE_SSE2)
     // At least a multiple of 16, with SSE2.
     constexpr IndexType NumChunks = ceil_to_multiple<IndexType>(InputDimensions, 16) / 16;
     const __m128i Zeros = _mm_setzero_si128();
     const auto inputVector = reinterpret_cast<const __m128i*>(input);
 
-# elif defined(USE_MMX)
-    constexpr IndexType NumChunks = ceil_to_multiple<IndexType>(InputDimensions, 8) / 8;
-    const __m64 Zeros = _mm_setzero_si64();
-    const auto inputVector = reinterpret_cast<const __m64*>(input);
+# elif defined(USE_NEON_DOTPROD)
+    constexpr IndexType NumChunks = ceil_to_multiple<IndexType>(InputDimensions, 16) / 16;
+    const auto inputVector = reinterpret_cast<const int8x16_t*>(input);
 
 # elif defined(USE_NEON)
     constexpr IndexType NumChunks = ceil_to_multiple<IndexType>(InputDimensions, 16) / 16;
@@ -103,25 +87,13 @@ namespace Stockfish::Eval::NNUE::Layers {
       sum = _mm_add_epi32(sum, sum_second_32);
       output[i] = _mm_cvtsi128_si32(sum);
 
-# elif defined(USE_MMX)
-      __m64 sumLo = _mm_cvtsi32_si64(biases[i]);
-      __m64 sumHi = Zeros;
-      const auto row = reinterpret_cast<const __m64*>(&weights[offset]);
+# elif defined(USE_NEON_DOTPROD)
+      int32x4_t sum = {biases[i]};
+      const auto row = reinterpret_cast<const int8x16_t*>(&weights[offset]);
       for (IndexType j = 0; j < NumChunks; ++j) {
-        __m64 row_j = row[j];
-        __m64 input_j = inputVector[j];
-        __m64 extendedRowLo = _mm_srai_pi16(_mm_unpacklo_pi8(row_j, row_j), 8);
-        __m64 extendedRowHi = _mm_srai_pi16(_mm_unpackhi_pi8(row_j, row_j), 8);
-        __m64 extendedInputLo = _mm_unpacklo_pi8(input_j, Zeros);
-        __m64 extendedInputHi = _mm_unpackhi_pi8(input_j, Zeros);
-        __m64 productLo = _mm_madd_pi16(extendedRowLo, extendedInputLo);
-        __m64 productHi = _mm_madd_pi16(extendedRowHi, extendedInputHi);
-        sumLo = _mm_add_pi32(sumLo, productLo);
-        sumHi = _mm_add_pi32(sumHi, productHi);
+        sum = vdotq_s32(sum, inputVector[j], row[j]);
       }
-      __m64 sum = _mm_add_pi32(sumLo, sumHi);
-      sum = _mm_add_pi32(sum, _mm_unpackhi_pi32(sum, sum));
-      output[i] = _mm_cvtsi64_si32(sum);
+      output[i] = vaddvq_s32(sum);
 
 # elif defined(USE_NEON)
       int32x4_t sum = {biases[i]};
@@ -133,33 +105,25 @@ namespace Stockfish::Eval::NNUE::Layers {
       }
       output[i] = sum[0] + sum[1] + sum[2] + sum[3];
 
-# else
-      std::int32_t sum = biases[i];
-      for (IndexType j = 0; j < InputDimensions; ++j) {
-        sum += weights[offset + j] * input[j];
-      }
-      output[i] = sum;
 # endif
     }
-
-# if defined(USE_MMX)
-    _mm_empty();
+# else
+  std::memcpy(output, biases, sizeof(std::int32_t) * OutputDimensions);
+
+  // Traverse weights in transpose order to take advantage of input sparsity
+  for (IndexType i = 0; i < InputDimensions; ++i)
+      if (input[i]) {
+          const std::int8_t* w = &weights[i];
+          const int in = input[i];
+          for (IndexType j = 0; j < OutputDimensions; ++j)
+              output[j] += w[j * PaddedInputDimensions] * in;
+      }
 # endif
   }
 #endif
 
-  template <IndexType InDims, IndexType OutDims, typename Enabled = void>
-  class AffineTransform;
-
-#if defined (USE_AVX512)
-  constexpr IndexType LargeInputSize = 2 * 64;
-#else
-  constexpr IndexType LargeInputSize = std::numeric_limits<IndexType>::max();
-#endif
-
-  // A specialization for large inputs.
   template <IndexType InDims, IndexType OutDims>
-  class AffineTransform<InDims, OutDims, std::enable_if_t<(ceil_to_multiple<IndexType>(InDims, MaxSimdWidth) >= LargeInputSize)>> {
+  class AffineTransform {
    public:
     // Input/output type
     using InputType = std::uint8_t;
@@ -176,39 +140,6 @@ namespace Stockfish::Eval::NNUE::Layers {
 
     using OutputBuffer = OutputType[PaddedOutputDimensions];
 
-    static_assert(PaddedInputDimensions >= LargeInputSize, "Something went wrong. This specialization should not have been chosen.");
-
-#if defined (USE_AVX512)
-    static constexpr const IndexType InputSimdWidth = 64;
-    static constexpr const IndexType MaxNumOutputRegs = 16;
-#elif defined (USE_AVX2)
-    static constexpr const IndexType InputSimdWidth = 32;
-    static constexpr const IndexType MaxNumOutputRegs = 8;
-#elif defined (USE_SSSE3)
-    static constexpr const IndexType InputSimdWidth = 16;
-    static constexpr const IndexType MaxNumOutputRegs = 8;
-#elif defined (USE_NEON)
-    static constexpr const IndexType InputSimdWidth = 8;
-    static constexpr const IndexType MaxNumOutputRegs = 8;
-#else
-    // The fallback implementation will not have permuted weights.
-    // We define these to avoid a lot of ifdefs later.
-    static constexpr const IndexType InputSimdWidth = 1;
-    static constexpr const IndexType MaxNumOutputRegs = 1;
-#endif
-
-    // A big block is a region in the weight matrix of the size [PaddedInputDimensions, NumOutputRegs].
-    // A small block is a region of size [InputSimdWidth, 1]
-
-    static constexpr const IndexType NumOutputRegs = std::min(MaxNumOutputRegs, OutputDimensions);
-    static constexpr const IndexType SmallBlockSize = InputSimdWidth;
-    static constexpr const IndexType BigBlockSize = NumOutputRegs * PaddedInputDimensions;
-    static constexpr const IndexType NumSmallBlocksInBigBlock = BigBlockSize / SmallBlockSize;
-    static constexpr const IndexType NumSmallBlocksPerOutput = PaddedInputDimensions / SmallBlockSize;
-    static constexpr const IndexType NumBigBlocks = OutputDimensions / NumOutputRegs;
-
-    static_assert(OutputDimensions % NumOutputRegs == 0);
-
     // Hash value embedded in the evaluation file
     static constexpr std::uint32_t get_hash_value(std::uint32_t prevHash) {
       std::uint32_t hashValue = 0xCC03DAE4u;
@@ -218,198 +149,7 @@ namespace Stockfish::Eval::NNUE::Layers {
       return hashValue;
     }
 
-    /*
-      Transposes the small blocks within a block.
-      Effectively means that weights can be traversed sequentially during inference.
-    */
-    static IndexType get_weight_index(IndexType i)
-    {
-      const IndexType smallBlock = (i / SmallBlockSize) % NumSmallBlocksInBigBlock;
-      const IndexType smallBlockCol = smallBlock / NumSmallBlocksPerOutput;
-      const IndexType smallBlockRow = smallBlock % NumSmallBlocksPerOutput;
-      const IndexType bigBlock   = i / BigBlockSize;
-      const IndexType rest       = i % SmallBlockSize;
-
-      const IndexType idx =
-          bigBlock * BigBlockSize
-        + smallBlockRow * SmallBlockSize * NumOutputRegs
-        + smallBlockCol * SmallBlockSize
-        + rest;
-
-      return idx;
-    }
-
-    // Read network parameters
-    bool read_parameters(std::istream& stream) {
-      for (IndexType i = 0; i < OutputDimensions; ++i)
-        biases[i] = read_little_endian<BiasType>(stream);
-
-      for (IndexType i = 0; i < OutputDimensions * PaddedInputDimensions; ++i)
-        weights[get_weight_index(i)] = read_little_endian<WeightType>(stream);
-
-      return !stream.fail();
-    }
-
-    // Write network parameters
-    bool write_parameters(std::ostream& stream) const {
-      for (IndexType i = 0; i < OutputDimensions; ++i)
-          write_little_endian<BiasType>(stream, biases[i]);
-
-      for (IndexType i = 0; i < OutputDimensions * PaddedInputDimensions; ++i)
-        write_little_endian<WeightType>(stream, weights[get_weight_index(i)]);
-
-      return !stream.fail();
-    }
-
-    // Forward propagation
-    const OutputType* propagate(
-        const InputType* input, OutputType* output) const {
-
-#if defined (USE_AVX512)
-      using acc_vec_t = __m512i;
-      using bias_vec_t = __m128i;
-      using weight_vec_t = __m512i;
-      using in_vec_t = __m512i;
-      #define vec_zero _mm512_setzero_si512()
-      #define vec_add_dpbusd_32x2 Simd::m512_add_dpbusd_epi32x2
-      #define vec_hadd Simd::m512_hadd
-      #define vec_haddx4 Simd::m512_haddx4
-#elif defined (USE_AVX2)
-      using acc_vec_t = __m256i;
-      using bias_vec_t = __m128i;
-      using weight_vec_t = __m256i;
-      using in_vec_t = __m256i;
-      #define vec_zero _mm256_setzero_si256()
-      #define vec_add_dpbusd_32x2 Simd::m256_add_dpbusd_epi32x2
-      #define vec_hadd Simd::m256_hadd
-      #define vec_haddx4 Simd::m256_haddx4
-#elif defined (USE_SSSE3)
-      using acc_vec_t = __m128i;
-      using bias_vec_t = __m128i;
-      using weight_vec_t = __m128i;
-      using in_vec_t = __m128i;
-      #define vec_zero _mm_setzero_si128()
-      #define vec_add_dpbusd_32x2 Simd::m128_add_dpbusd_epi32x2
-      #define vec_hadd Simd::m128_hadd
-      #define vec_haddx4 Simd::m128_haddx4
-#elif defined (USE_NEON)
-      using acc_vec_t = int32x4_t;
-      using bias_vec_t = int32x4_t;
-      using weight_vec_t = int8x8_t;
-      using in_vec_t = int8x8_t;
-      #define vec_zero {0}
-      #define vec_add_dpbusd_32x2 Simd::neon_m128_add_dpbusd_epi32x2
-      #define vec_hadd Simd::neon_m128_hadd
-      #define vec_haddx4 Simd::neon_m128_haddx4
-#endif
-
-#if defined (USE_SSSE3) || defined (USE_NEON)
-      const in_vec_t* invec = reinterpret_cast<const in_vec_t*>(input);
-
-      // Perform accumulation to registers for each big block
-      for (IndexType bigBlock = 0; bigBlock < NumBigBlocks; ++bigBlock)
-      {
-        acc_vec_t acc[NumOutputRegs] = { vec_zero };
-
-        // Each big block has NumOutputRegs small blocks in each "row", one per register.
-        // We process two small blocks at a time to save on one addition without VNNI.
-        for (IndexType smallBlock = 0; smallBlock < NumSmallBlocksPerOutput; smallBlock += 2)
-        {
-          const weight_vec_t* weightvec =
-            reinterpret_cast<const weight_vec_t*>(
-                weights
-              + bigBlock * BigBlockSize
-              + smallBlock * SmallBlockSize * NumOutputRegs);
-
-          const in_vec_t in0 = invec[smallBlock + 0];
-          const in_vec_t in1 = invec[smallBlock + 1];
-
-          for (IndexType k = 0; k < NumOutputRegs; ++k)
-            vec_add_dpbusd_32x2(acc[k], in0, weightvec[k], in1, weightvec[k + NumOutputRegs]);
-        }
-
-        // Horizontally add all accumulators.
-        if constexpr (NumOutputRegs % 4 == 0)
-        {
-          bias_vec_t* outputvec = reinterpret_cast<bias_vec_t*>(output);
-          const bias_vec_t* biasvec = reinterpret_cast<const bias_vec_t*>(biases);
-
-          for (IndexType k = 0; k < NumOutputRegs; k += 4)
-          {
-            const IndexType idx = (bigBlock * NumOutputRegs + k) / 4;
-            outputvec[idx] = vec_haddx4(acc[k+0], acc[k+1], acc[k+2], acc[k+3], biasvec[idx]);
-          }
-        }
-        else
-        {
-          for (IndexType k = 0; k < NumOutputRegs; ++k)
-          {
-            const IndexType idx = (bigBlock * NumOutputRegs + k);
-            output[idx] = vec_hadd(acc[k], biases[idx]);
-          }
-        }
-      }
-
-# undef vec_zero
-# undef vec_add_dpbusd_32x2
-# undef vec_hadd
-# undef vec_haddx4
-#else
-      // Use old implementation for the other architectures.
-      affine_transform_non_ssse3<
-        InputDimensions,
-        PaddedInputDimensions,
-        OutputDimensions>(output, weights, biases, input);
-
-#endif
-
-      return output;
-    }
-
-   private:
-    using BiasType = OutputType;
-    using WeightType = std::int8_t;
-
-    alignas(CacheLineSize) BiasType biases[OutputDimensions];
-    alignas(CacheLineSize) WeightType weights[OutputDimensions * PaddedInputDimensions];
-  };
-
-  template <IndexType InDims, IndexType OutDims>
-  class AffineTransform<InDims, OutDims, std::enable_if_t<(ceil_to_multiple<IndexType>(InDims, MaxSimdWidth) < LargeInputSize)>> {
-   public:
-    // Input/output type
-    // Input/output type
-    using InputType = std::uint8_t;
-    using OutputType = std::int32_t;
-
-    // Number of input/output dimensions
-    static constexpr IndexType InputDimensions = InDims;
-    static constexpr IndexType OutputDimensions = OutDims;
-
-    static constexpr IndexType PaddedInputDimensions =
-      ceil_to_multiple<IndexType>(InputDimensions, MaxSimdWidth);
-    static constexpr IndexType PaddedOutputDimensions =
-      ceil_to_multiple<IndexType>(OutputDimensions, MaxSimdWidth);
-
-    using OutputBuffer = OutputType[PaddedOutputDimensions];
-
-    static_assert(PaddedInputDimensions < LargeInputSize, "Something went wrong. This specialization should not have been chosen.");
-
-#if defined (USE_SSSE3)
-    static constexpr const IndexType OutputSimdWidth = SimdWidth / 4;
-    static constexpr const IndexType InputSimdWidth = SimdWidth;
-#endif
-
-    // Hash value embedded in the evaluation file
-    static constexpr std::uint32_t get_hash_value(std::uint32_t prevHash) {
-      std::uint32_t hashValue = 0xCC03DAE4u;
-      hashValue += OutputDimensions;
-      hashValue ^= prevHash >> 1;
-      hashValue ^= prevHash << 31;
-      return hashValue;
-    }
-
-    static IndexType get_weight_index_scrambled(IndexType i)
+    static constexpr IndexType get_weight_index_scrambled(IndexType i)
     {
       return
         (i / 4) % (PaddedInputDimensions / 4) * OutputDimensions * 4 +
@@ -417,7 +157,7 @@ namespace Stockfish::Eval::NNUE::Layers {
         i % 4;
     }
 
-    static IndexType get_weight_index(IndexType i)
+    static constexpr IndexType get_weight_index(IndexType i)
     {
 #if defined (USE_SSSE3)
       return get_weight_index_scrambled(i);
@@ -428,8 +168,7 @@ namespace Stockfish::Eval::NNUE::Layers {
 
     // Read network parameters
     bool read_parameters(std::istream& stream) {
-      for (IndexType i = 0; i < OutputDimensions; ++i)
-        biases[i] = read_little_endian<BiasType>(stream);
+      read_little_endian<BiasType>(stream, biases, OutputDimensions);
       for (IndexType i = 0; i < OutputDimensions * PaddedInputDimensions; ++i)
         weights[get_weight_index(i)] = read_little_endian<WeightType>(stream);
 
@@ -438,8 +177,7 @@ namespace Stockfish::Eval::NNUE::Layers {
 
     // Write network parameters
     bool write_parameters(std::ostream& stream) const {
-      for (IndexType i = 0; i < OutputDimensions; ++i)
-        write_little_endian<BiasType>(stream, biases[i]);
+      write_little_endian<BiasType>(stream, biases, OutputDimensions);
 
       for (IndexType i = 0; i < OutputDimensions * PaddedInputDimensions; ++i)
         write_little_endian<WeightType>(stream, weights[get_weight_index(i)]);
@@ -447,36 +185,41 @@ namespace Stockfish::Eval::NNUE::Layers {
       return !stream.fail();
     }
     // Forward propagation
-    const OutputType* propagate(
+    void propagate(
         const InputType* input, OutputType* output) const {
 
-#if defined (USE_AVX2)
+#if defined (USE_SSSE3)
+
+      if constexpr (OutputDimensions > 1)
+      {
+
+#if defined (USE_AVX512)
+      using vec_t = __m512i;
+      #define vec_setzero _mm512_setzero_si512
+      #define vec_set_32 _mm512_set1_epi32
+      #define vec_add_dpbusd_32 Simd::m512_add_dpbusd_epi32
+      #define vec_add_dpbusd_32x2 Simd::m512_add_dpbusd_epi32x2
+      #define vec_hadd Simd::m512_hadd
+#elif defined (USE_AVX2)
       using vec_t = __m256i;
       #define vec_setzero _mm256_setzero_si256
       #define vec_set_32 _mm256_set1_epi32
       #define vec_add_dpbusd_32 Simd::m256_add_dpbusd_epi32
       #define vec_add_dpbusd_32x2 Simd::m256_add_dpbusd_epi32x2
-      #define vec_add_dpbusd_32x4 Simd::m256_add_dpbusd_epi32x4
       #define vec_hadd Simd::m256_hadd
-      #define vec_haddx4 Simd::m256_haddx4
 #elif defined (USE_SSSE3)
       using vec_t = __m128i;
       #define vec_setzero _mm_setzero_si128
       #define vec_set_32 _mm_set1_epi32
       #define vec_add_dpbusd_32 Simd::m128_add_dpbusd_epi32
       #define vec_add_dpbusd_32x2 Simd::m128_add_dpbusd_epi32x2
-      #define vec_add_dpbusd_32x4 Simd::m128_add_dpbusd_epi32x4
       #define vec_hadd Simd::m128_hadd
-      #define vec_haddx4 Simd::m128_haddx4
 #endif
 
-#if defined (USE_SSSE3)
-      const auto inputVector = reinterpret_cast<const vec_t*>(input);
+        static constexpr IndexType OutputSimdWidth = sizeof(vec_t) / sizeof(OutputType);
 
-      static_assert(OutputDimensions % OutputSimdWidth == 0 || OutputDimensions == 1);
+        static_assert(OutputDimensions % OutputSimdWidth == 0);
 
-      if constexpr (OutputDimensions % OutputSimdWidth == 0)
-      {
         constexpr IndexType NumChunks = ceil_to_multiple<IndexType>(InputDimensions, 8) / 4;
         constexpr IndexType NumRegs = OutputDimensions / OutputSimdWidth;
 
@@ -499,28 +242,58 @@ namespace Stockfish::Eval::NNUE::Layers {
         vec_t* outptr = reinterpret_cast<vec_t*>(output);
         for (IndexType k = 0; k < NumRegs; ++k)
           outptr[k] = acc[k];
+
+# undef vec_setzero
+# undef vec_set_32
+# undef vec_add_dpbusd_32
+# undef vec_add_dpbusd_32x2
+# undef vec_hadd
+
       }
       else if constexpr (OutputDimensions == 1)
       {
-        constexpr IndexType NumChunks = PaddedInputDimensions / SimdWidth;
+
+// We cannot use AVX512 for the last layer because there's only 32 inputs and the buffer is not padded to 64 elements.
+#if defined (USE_AVX2)
+      using vec_t = __m256i;
+      #define vec_setzero _mm256_setzero_si256
+      #define vec_set_32 _mm256_set1_epi32
+      #define vec_add_dpbusd_32 Simd::m256_add_dpbusd_epi32
+      #define vec_add_dpbusd_32x2 Simd::m256_add_dpbusd_epi32x2
+      #define vec_hadd Simd::m256_hadd
+#elif defined (USE_SSSE3)
+      using vec_t = __m128i;
+      #define vec_setzero _mm_setzero_si128
+      #define vec_set_32 _mm_set1_epi32
+      #define vec_add_dpbusd_32 Simd::m128_add_dpbusd_epi32
+      #define vec_add_dpbusd_32x2 Simd::m128_add_dpbusd_epi32x2
+      #define vec_hadd Simd::m128_hadd
+#endif
+
+        const auto inputVector = reinterpret_cast<const vec_t*>(input);
+
+        static constexpr IndexType InputSimdWidth = sizeof(vec_t) / sizeof(InputType);
+
+        static_assert(PaddedInputDimensions % InputSimdWidth == 0);
+
+        constexpr IndexType NumChunks = PaddedInputDimensions / InputSimdWidth;
         vec_t sum0 = vec_setzero();
         const auto row0 = reinterpret_cast<const vec_t*>(&weights[0]);
 
-        for (int j = 0; j < (int)NumChunks; ++j)
+        for (int j = 0; j < int(NumChunks); ++j)
         {
           const vec_t in = inputVector[j];
           vec_add_dpbusd_32(sum0, in, row0[j]);
         }
         output[0] = vec_hadd(sum0, biases[0]);
-      }
 
 # undef vec_setzero
 # undef vec_set_32
 # undef vec_add_dpbusd_32
 # undef vec_add_dpbusd_32x2
-# undef vec_add_dpbusd_32x4
 # undef vec_hadd
-# undef vec_haddx4
+
+      }
 #else
       // Use old implementation for the other architectures.
       affine_transform_non_ssse3<
@@ -528,8 +301,6 @@ namespace Stockfish::Eval::NNUE::Layers {
         PaddedInputDimensions,
         OutputDimensions>(output, weights, biases, input);
 #endif
-
-      return output;
     }
 
    private: