FMA x86

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FMA x86 ist eine Befehlssatzerweiterung für Mikroprozessoren von Intel und AMD zur Unterstützung der Fused-Multiply-Add-Technik (FMA). Von AMD erfolgte hierzu erstmals eine Umsetzung in den „Bulldozer“-CPUs. Intel setzte dies erst in den Haswell-Prozessoren ein.

Es gibt zwei nicht miteinander kompatible Ausführungen, FMA4 und FMA3:

• FMA4 ist die vollwertige Version, die eine Operation der Form ${\displaystyle d=a+b\cdot c}$ erlaubt;
• FMA3 erfordert dagegen, dass das Zielregister eines der Operandenregister ist, und dieser dadurch überschrieben wird.

Neue Eigenschaften

FMA erweitert die Möglichkeiten zu Vektoroperationen und kann als Erweiterung der AVX-Befehle gesehen werden.

Neue Instruktionen

CPUs mit FMA4

• Intel hat FMA4 nicht implementiert.
• AMD hatte FMA4 implementiert:
  • Bulldozer-basierte Prozessoren (AMD FX), Q4/2011
  • Piledriver-basierte Prozessoren (AMD FX, Trinity und Richland APUs), Q2/2012
  • Steamroller-basierte Prozessoren (4. Generation A-Serie-Prozessoren, Kaveri-APUs) Q1/2014
  • Zen-Prozessoren (Q1/2017) haben zwar eine funktionierende Implementierung von FMA4, allerdings wird in der CPUID nicht angezeigt, dass die Instruktion zur Verfügung steht.^[1] Die Implementierung vom FMA4 bei Zen ist demnach inoffiziell und ab der Zen2-Mikroarchitektur (Q3/2019) schließlich nicht mehr vorhanden

Mnemonic	Operanden	Operation
VFMADDPDx	xmm, xmm, xmm/m128, xmm/m128	a = b∙c + d
VFMADDPDy	ymm, ymm, ymm/m256, ymm/m256
VFMADDPSx	xmm, xmm, xmm/m128, xmm/m128
VFMADDPSy	ymm, ymm, ymm/m256, ymm/m256
VFMADDSD	xmm, xmm, xmm/m64, xmm/m64
VFMADDSS	xmm, xmm, xmm/m32, xmm/m32

CPUs mit FMA3

• Intel
  • Alle Intel-Core-i-Prozessoren ab der Haswell-Mikroarchitektur (4. Generation Core i-Prozessoren)
• AMD
  • Piledriver-basierte Prozessoren (2. Generation FX CPUs, Trinity und Richland APUs), Q2/2012
  • Steamroller-basierte Prozessoren (4. Generation A-Serie-Prozessoren, Kaveri-APUs) Q1/2014
  • Alle Ryzen- und Epyc-Prozessoren (ab der 1. Zen-Microarchitektur) Q1/2017

Mnemonic	Operanden	Operation
VFMADD132PDy	ymm, ymm, ymm/m256	a = a∙c + b
VFMADD132PSy
VFMADD132PDx	xmm, xmm, xmm/m128
VFMADD132PSx
VFMADD132SD	xmm, xmm, xmm/m64
VFMADD132SS	xmm, xmm, xmm/m32
VFMADD213PDy	ymm, ymm, ymm/m256	a = b∙a + c
VFMADD213PSy
VFMADD213PDx	xmm, xmm, xmm/m128
VFMADD213PSx
VFMADD213SD	xmm, xmm, xmm/m64
VFMADD213SS	xmm, xmm, xmm/m32
VFMADD231PDy	ymm, ymm, ymm/m256	a = b∙c + a
VFMADD231PSy
VFMADD231PDx	xmm, xmm, xmm/m128
VFMADD231PSx
VFMADD231SD	xmm, xmm, xmm/m64
VFMADD231SS	xmm, xmm, xmm/m32

Anwendung

• Nützlich für gleitkommaintensive Berechnung, vor allem im Multimedia-, wissenschaftlichen oder Finanzberechnungen. Ganzzahloperationen sollen später folgen.
• Erhöht Parallelität und Durchsatz von Gleitkomma-SIMD-Berechnungen
• Verringert die Registerlast durch nicht destruktive Vier-Operanden-Form (im Fall von FMA4)
• Erhöht die Präzision gegenüber der Realisierung als zwei verkettete Multiplikations- und Additionsvorgänge. So kann es dazu kommen, dass wenn der Compiler automatisch eine Verkettung von Multiplikation und Addition durch eine FMA-Operation realisiert, dass man ein anderes, nämlich präziseres, Rechenergebnis bekommt.