AltiVec

À la suite des performances démontrées dans le calcul d'un processeur vectoriel avec le supercalculateur Cray-1 en 1976, ce type d'architecture devient une technique importante dans le domaine du calcul vectoriel et plus généralement matriciel. L'Altivec intègre des instructions SIMD, capable de traiter des vecteurs, mais Imposant au programme de gérer l'insertion dans les registres et l'incrémentation des pointeurs de table, contrairement au processeurs vectoriels auxquels on donne les instructions à effectuer dans une boucle, les pointeur de base des tableaux et la taille de la boucle et qui parcourent alors la table de vecteurs avec ces instructions.

En 1993, le processeur PowerPC 603 permet déjà d'exécuter des instructions spécialisées dans le calcul vectoriel de type multiplication + addition ou soustraction sur des registres flottants, appelée fmuladd et fmulsub, le système de pipeline permet de compenser les quatre cycles d'horloge nécessaire à son exécution en autorisant un lancement d’exécution par cycle[1].

Au milieu des années 1990, différents fabricants de microprocesseurs s'intéressèrent au développement d'unités de calculs parallèles qui permettraient d'alléger la charge du processeur en traitant de front de grandes quantités de données. En effet, l'essor des activités multimédia avait mis en évidence les besoins en puissance de ces applications par rapport à des applications classiques comme la bureautique. Les premiers essais de HP et de Sun Microsystems[2] permirent de définir les bases des unités de traitement SIMD dans le cadre de telles applications et ouvrirent la voie à Intel, AMD et à Motorola. Ainsi, en 1997, AMD sort 3DNow! et Intel, finalise son extension MMX[3] qui permettait de travailler sur des données 64 bits via une unité de calcul vectoriel. Cette extension se développa pour donner naissance aux unités SSE, SSE2, SSE3 et SSE4 qui, en reprenant la base de MMX, autorisent le travail sur des flottants simple ou double précision dans le cadre d'applications multimédia comme la compression vidéo ou la synthèse d'images 3D.

Pourtant, malgré l'avancée que représentait MMX et de ses successeurs en matière de performances, cette technique semblait être sous-exploitée dans les communautés de développeurs. En effet, des problèmes comme la non-orthogonalité de leurs jeux d'instructions, les problèmes d'alignement mémoires et les problèmes d'adéquations entre les structures de données et les limitations de ces unités ralentissaient grandement le développement d'application de grande envergure. Parallèlement aux travaux d'Intel et en constatant les problèmes auxquels les fabricants de microprocesseurs se heurtaient, Motorola s'allia en 1996 à Apple pour concevoir la future architecture du PowerPC G4. Keith Diefendorff, alors chef du projet AltiVec, définit les grandes lignes de cette unité de calcul en n'en faisant pas qu'une simple extension multimédia, mais plutôt une unité de calcul polyvalente. Tirant parti des expériences de ses concurrents, Motorola décida donc de reprendre à zéro la conception matérielle de ce type d'unité de calcul. Finalement, en 1999, le PowerPC G4 d'Apple se vit doté de l'unité de calcul AltiVec de Motorola. En 2002, IBM intègre AltiVec dans les processeurs qui équipent les PowerPC G5.

Lorsqu'il a été présenté la première fois, à la fin des années 1990, AltiVec était le système SIMD le plus puissant, pour un processeur d'une unité centrale de bureau. Comparé à ses contemporains (MMX d'Intel, en nombre entier uniquement ; SSE en virgule flottante, et divers autres systèmes de fournisseurs de processeurs RISC), AltiVec offrait plus de registres, qui pouvaient être utilisés de façons plus variées et être opérés par un ensemble d'instructions beaucoup plus flexible. Cependant, SSE2, le système SIMD d'Intel de quatrième génération, présenté avec le Pentium 4, propose un grand nombre de fonctionnalités qui viennent combler les différences entre ces technologies.

Altivec est basé sur une implémentation intra-processeur du modèle SIMD aussi nommé SWAR pour SIMD Within A Register (terme inventé en 1996 par l'Université de Purdue, pour différencier le SIMD interne au processeur du SIMD externe au processeur, c'est-à-dire les machines parallèles). Dans ce modèle, la manipulation de structures de données spéciales permet de reproduire le comportement d'une unité SIMD au sein d'un seul processeur[4]. Ces types de données nommés vecteurs sont des blocs de 128 bits pouvant contenir des données de plusieurs types et sont traitées par des opérateurs spécifiques qui effectuent leurs calculs simultanément sur tous les éléments du vecteur. Un jeu de 32 registres vectoriels 128 bits permettent alors de stocker 16 entiers 8 bits signés ou non signés, 8 entiers 16 bits signés ou non signés, 4 entiers 32 bits signés ou non signés ou bien 4 nombres réels 32-bit en virgule flottante. Contrairement à SSE2, Altivec ne propose pas de support pour les nombres réels double précision.

Au sein de l'architecture du PowerPC, Altivec est complètement indépendante des unités de calcul classiques. Elle possède quatre unités de traitement équipées de pipelines qui lui permettent de traiter plusieurs opérations sur des flottants simple précision, des opérations de permutations, des opérations simples sur des entiers (comme l'addition) ou des opérations composites sur des entiers (comme les multiplications partielles) de manière efficace. Elle est en outre capable de démarrer simultanément l'exécution de plusieurs opérations dans plusieurs unités de calcul, on parle alors d'unité de calcul superscalaire. L'utilisateur a en outre la possibilité d'utiliser l'ensemble des registres normaux fournis par le PowerPC et les 32 registres vectoriels fournis par AltiVec de manière simultanée.

unsigned char I1[N*N], I2[N*N], R[N*N];
for(size_t i = 0; i < N*N; i++)
{
   signed short s = I2[i] - I1[i];
   R[i] = (s<10 || s>240) ? 0 : 255;
}

unsigned char I1[N*N], I2[N*N], R[N*N];
vector unsigned char vS,vR,v240,v10,V0,V255;
vector bool char vC;
v0   = vec_splat_u8(0);
v10  = vec_splat_u8(10);
v240 = (vector unsigned char)vec_splat_s8(-15);
v255 = (vector unsigned char)vec_splat_s8(-1);
for(size_t i = 0; i < (N*N)/16; i++)
{
  vS = vec_sub(vec_ld(I2,16*i), vec_ld(I1,16*i));      
  vC = vec_or(vec_cmplt(vS, v10), vec_cmpgt(vS, v240));         
  vR = vec_sel(v255, v0, vC);
  vec_st(vR, R, i*16);
}

Apple est le premier client d'AltiVec, et l'utilise pour accélérer les applications de multimédia telles QuickTime et iTunes, et les programmes de traitement d'images tels Photoshop d'Adobe. Motorola a fourni des processeurs AltiVec pour toutes les unités centrales de bureau depuis l'introduction du G4. AltiVec est également employé dans quelques systèmes embarqués, pour fournir de grandes performances lors du traitement numérique du signal.

Depuis le retrait d'Apple du monde PowerPC et Altivec, les principaux constructeurs de machines à base de PowerPC Altivec sont Thales Computer et Mercury Computer.

Bien qu'ayant disparu des dernières machines d'Apple, Altivec continue d'exister dans des domaines moins grand public comme les stations de travail et serveurs de calcul d'IBM à travers le PowerPC 970 MP (la dernière version à avoir équipé les PowerMac G5) et à travers le POWER6 d'IBM. Altivec continue aussi d'exister dans l'un des domaines grand public à très forte croissance: les consoles de jeux. Ainsi la XBOX 360 de Microsoft est un processeur triple cœur Altivec dérivant du 970 MP, et la PS3 et son fameux processeur Cell, un octo-processeur piloté par un processeur maître (le PPE) très proche du 970. L'octo-processeur contient lui aussi un jeu d'instructions SWAR nommé SPE (Synergistic Processing Elements) dont le jeu d'instructions est très proche d'Altivec.