src/gromacs/simd/impl_x86_avx_256/impl_x86_avx_256_simd_float.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2014,2015,2016,2017,2018,2019, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35
  36 #ifndef GMX_SIMD_IMPL_X86_AVX_256_SIMD_FLOAT_H
  37 #define GMX_SIMD_IMPL_X86_AVX_256_SIMD_FLOAT_H
  38
  39 #include "config.h"
  40
  41 #include <cassert>
  42 #include <cstddef>
  43 #include <cstdint>
  44
  45 #include <immintrin.h>
  46
  47 #include "gromacs/math/utilities.h"
  48
  49 namespace gmx
  50 {
  51
  52 class SimdFloat
  53 {
  54 public:
  55     SimdFloat() {}
  56
  57     SimdFloat(float f) : simdInternal_(_mm256_set1_ps(f)) {}
  58
  59     // Internal utility constructor to simplify return statements
  60     SimdFloat(__m256 simd) : simdInternal_(simd) {}
  61
  62     __m256 simdInternal_;
  63 };
  64
  65 class SimdFInt32
  66 {
  67 public:
  68     SimdFInt32() {}
  69
  70     SimdFInt32(std::int32_t i) : simdInternal_(_mm256_set1_epi32(i)) {}
  71
  72     // Internal utility constructor to simplify return statements
  73     SimdFInt32(__m256i simd) : simdInternal_(simd) {}
  74
  75     __m256i simdInternal_;
  76 };
  77
  78 class SimdFBool
  79 {
  80 public:
  81     SimdFBool() {}
  82
  83     SimdFBool(bool b) : simdInternal_(_mm256_castsi256_ps(_mm256_set1_epi32(b ? 0xFFFFFFFF : 0))) {}
  84
  85     // Internal utility constructor to simplify return statements
  86     SimdFBool(__m256 simd) : simdInternal_(simd) {}
  87
  88     __m256 simdInternal_;
  89 };
  90
  91 static inline SimdFloat gmx_simdcall simdLoad(const float* m, SimdFloatTag /*unused*/ = {})
  92 {
  93     assert(std::size_t(m) % 32 == 0);
  94     return { _mm256_load_ps(m) };
  95 }
  96
  97 static inline void gmx_simdcall store(float* m, SimdFloat a)
  98 {
  99     assert(std::size_t(m) % 32 == 0);
 100     _mm256_store_ps(m, a.simdInternal_);
 101 }
 102
 103 static inline SimdFloat gmx_simdcall simdLoadU(const float* m, SimdFloatTag /*unused*/ = {})
 104 {
 105     return { _mm256_loadu_ps(m) };
 106 }
 107
 108 static inline void gmx_simdcall storeU(float* m, SimdFloat a)
 109 {
 110     _mm256_storeu_ps(m, a.simdInternal_);
 111 }
 112
 113 static inline SimdFloat gmx_simdcall setZeroF()
 114 {
 115     return { _mm256_setzero_ps() };
 116 }
 117
 118 static inline SimdFInt32 gmx_simdcall simdLoad(const std::int32_t* m, SimdFInt32Tag /*unused*/)
 119 {
 120     assert(std::size_t(m) % 32 == 0);
 121     return { _mm256_load_si256(reinterpret_cast<const __m256i*>(m)) };
 122 }
 123
 124 static inline void gmx_simdcall store(std::int32_t* m, SimdFInt32 a)
 125 {
 126     assert(std::size_t(m) % 32 == 0);
 127     _mm256_store_si256(reinterpret_cast<__m256i*>(m), a.simdInternal_);
 128 }
 129
 130 static inline SimdFInt32 gmx_simdcall simdLoadU(const std::int32_t* m, SimdFInt32Tag /*unused*/)
 131 {
 132     return { _mm256_loadu_si256(reinterpret_cast<const __m256i*>(m)) };
 133 }
 134
 135 static inline void gmx_simdcall storeU(std::int32_t* m, SimdFInt32 a)
 136 {
 137     _mm256_storeu_si256(reinterpret_cast<__m256i*>(m), a.simdInternal_);
 138 }
 139
 140 static inline SimdFInt32 gmx_simdcall setZeroFI()
 141 {
 142     return { _mm256_setzero_si256() };
 143 }
 144
 145 template<int index>
 146 static inline std::int32_t gmx_simdcall extract(SimdFInt32 a)
 147 {
 148     return _mm_extract_epi32(_mm256_extractf128_si256(a.simdInternal_, index >> 2), index & 0x3);
 149 }
 150
 151 static inline SimdFloat gmx_simdcall operator&(SimdFloat a, SimdFloat b)
 152 {
 153     return { _mm256_and_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 154 }
 155
 156 static inline SimdFloat gmx_simdcall andNot(SimdFloat a, SimdFloat b)
 157 {
 158     return { _mm256_andnot_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 159 }
 160
 161 static inline SimdFloat gmx_simdcall operator|(SimdFloat a, SimdFloat b)
 162 {
 163     return { _mm256_or_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 164 }
 165
 166 static inline SimdFloat gmx_simdcall operator^(SimdFloat a, SimdFloat b)
 167 {
 168     return { _mm256_xor_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 169 }
 170
 171 static inline SimdFloat gmx_simdcall operator+(SimdFloat a, SimdFloat b)
 172 {
 173     return { _mm256_add_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 174 }
 175
 176 static inline SimdFloat gmx_simdcall operator-(SimdFloat a, SimdFloat b)
 177 {
 178     return { _mm256_sub_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 179 }
 180
 181 static inline SimdFloat gmx_simdcall operator-(SimdFloat x)
 182 {
 183     return { _mm256_xor_ps(x.simdInternal_, _mm256_set1_ps(GMX_FLOAT_NEGZERO)) };
 184 }
 185
 186 static inline SimdFloat gmx_simdcall operator*(SimdFloat a, SimdFloat b)
 187 {
 188     return { _mm256_mul_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 189 }
 190
 191 // Override for AVX2 and higher
 192 #if GMX_SIMD_X86_AVX_256
 193 static inline SimdFloat gmx_simdcall fma(SimdFloat a, SimdFloat b, SimdFloat c)
 194 {
 195     return { _mm256_add_ps(_mm256_mul_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_), c.simdInternal_) };
 196 }
 197
 198 static inline SimdFloat gmx_simdcall fms(SimdFloat a, SimdFloat b, SimdFloat c)
 199 {
 200     return { _mm256_sub_ps(_mm256_mul_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_), c.simdInternal_) };
 201 }
 202
 203 static inline SimdFloat gmx_simdcall fnma(SimdFloat a, SimdFloat b, SimdFloat c)
 204 {
 205     return { _mm256_sub_ps(c.simdInternal_, _mm256_mul_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_)) };
 206 }
 207
 208 static inline SimdFloat gmx_simdcall fnms(SimdFloat a, SimdFloat b, SimdFloat c)
 209 {
 210     return { _mm256_sub_ps(_mm256_setzero_ps(),
 211                            _mm256_add_ps(_mm256_mul_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_), c.simdInternal_)) };
 212 }
 213 #endif
 214
 215 static inline SimdFloat gmx_simdcall rsqrt(SimdFloat x)
 216 {
 217     return { _mm256_rsqrt_ps(x.simdInternal_) };
 218 }
 219
 220 static inline SimdFloat gmx_simdcall rcp(SimdFloat x)
 221 {
 222     return { _mm256_rcp_ps(x.simdInternal_) };
 223 }
 224
 225 static inline SimdFloat gmx_simdcall maskAdd(SimdFloat a, SimdFloat b, SimdFBool m)
 226 {
 227     return { _mm256_add_ps(a.simdInternal_, _mm256_and_ps(b.simdInternal_, m.simdInternal_)) };
 228 }
 229
 230 static inline SimdFloat gmx_simdcall maskzMul(SimdFloat a, SimdFloat b, SimdFBool m)
 231 {
 232     return { _mm256_and_ps(_mm256_mul_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_), m.simdInternal_) };
 233 }
 234
 235 static inline SimdFloat maskzFma(SimdFloat a, SimdFloat b, SimdFloat c, SimdFBool m)
 236 {
 237     return { _mm256_and_ps(_mm256_add_ps(_mm256_mul_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_), c.simdInternal_),
 238                            m.simdInternal_) };
 239 }
 240
 241 static inline SimdFloat maskzRsqrt(SimdFloat x, SimdFBool m)
 242 {
 243 #ifndef NDEBUG
 244     x.simdInternal_ = _mm256_blendv_ps(_mm256_set1_ps(1.0F), x.simdInternal_, m.simdInternal_);
 245 #endif
 246     return { _mm256_and_ps(_mm256_rsqrt_ps(x.simdInternal_), m.simdInternal_) };
 247 }
 248
 249 static inline SimdFloat maskzRcp(SimdFloat x, SimdFBool m)
 250 {
 251 #ifndef NDEBUG
 252     x.simdInternal_ = _mm256_blendv_ps(_mm256_set1_ps(1.0F), x.simdInternal_, m.simdInternal_);
 253 #endif
 254     return { _mm256_and_ps(_mm256_rcp_ps(x.simdInternal_), m.simdInternal_) };
 255 }
 256
 257 static inline SimdFloat gmx_simdcall abs(SimdFloat x)
 258 {
 259     return { _mm256_andnot_ps(_mm256_set1_ps(GMX_FLOAT_NEGZERO), x.simdInternal_) };
 260 }
 261
 262 static inline SimdFloat gmx_simdcall max(SimdFloat a, SimdFloat b)
 263 {
 264     return { _mm256_max_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 265 }
 266
 267 static inline SimdFloat gmx_simdcall min(SimdFloat a, SimdFloat b)
 268 {
 269     return { _mm256_min_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 270 }
 271
 272 static inline SimdFloat gmx_simdcall round(SimdFloat x)
 273 {
 274     return { _mm256_round_ps(x.simdInternal_, _MM_FROUND_NINT) };
 275 }
 276
 277 static inline SimdFloat gmx_simdcall trunc(SimdFloat x)
 278 {
 279     return { _mm256_round_ps(x.simdInternal_, _MM_FROUND_TRUNC) };
 280 }
 281
 282 // Override for AVX2 and higher
 283 #if GMX_SIMD_X86_AVX_256
 284 static inline SimdFloat gmx_simdcall frexp(SimdFloat value, SimdFInt32* exponent)
 285 {
 286     const __m256 exponentMask = _mm256_castsi256_ps(_mm256_set1_epi32(0x7F800000));
 287     const __m256 mantissaMask = _mm256_castsi256_ps(_mm256_set1_epi32(0x807FFFFF));
 288     const __m256 half         = _mm256_set1_ps(0.5);
 289     const __m128i exponentBias = _mm_set1_epi32(126); // add 1 to make our definition identical to frexp()
 290     __m256i iExponent;
 291     __m128i iExponentLow, iExponentHigh;
 292
 293     iExponent               = _mm256_castps_si256(_mm256_and_ps(value.simdInternal_, exponentMask));
 294     iExponentHigh           = _mm256_extractf128_si256(iExponent, 0x1);
 295     iExponentLow            = _mm256_castsi256_si128(iExponent);
 296     iExponentLow            = _mm_srli_epi32(iExponentLow, 23);
 297     iExponentHigh           = _mm_srli_epi32(iExponentHigh, 23);
 298     iExponentLow            = _mm_sub_epi32(iExponentLow, exponentBias);
 299     iExponentHigh           = _mm_sub_epi32(iExponentHigh, exponentBias);
 300     iExponent               = _mm256_castsi128_si256(iExponentLow);
 301     exponent->simdInternal_ = _mm256_insertf128_si256(iExponent, iExponentHigh, 0x1);
 302
 303     return { _mm256_or_ps(_mm256_and_ps(value.simdInternal_, mantissaMask), half) };
 304 }
 305
 306 template<MathOptimization opt = MathOptimization::Safe>
 307 static inline SimdFloat gmx_simdcall ldexp(SimdFloat value, SimdFInt32 exponent)
 308 {
 309     const __m128i exponentBias = _mm_set1_epi32(127);
 310     __m256i       iExponent;
 311     __m128i       iExponentLow, iExponentHigh;
 312
 313     iExponentHigh = _mm256_extractf128_si256(exponent.simdInternal_, 0x1);
 314     iExponentLow  = _mm256_castsi256_si128(exponent.simdInternal_);
 315
 316     iExponentLow  = _mm_add_epi32(iExponentLow, exponentBias);
 317     iExponentHigh = _mm_add_epi32(iExponentHigh, exponentBias);
 318
 319     if (opt == MathOptimization::Safe)
 320     {
 321         // Make sure biased argument is not negative
 322         iExponentLow  = _mm_max_epi32(iExponentLow, _mm_setzero_si128());
 323         iExponentHigh = _mm_max_epi32(iExponentHigh, _mm_setzero_si128());
 324     }
 325
 326     iExponentLow  = _mm_slli_epi32(iExponentLow, 23);
 327     iExponentHigh = _mm_slli_epi32(iExponentHigh, 23);
 328     iExponent     = _mm256_castsi128_si256(iExponentLow);
 329     iExponent     = _mm256_insertf128_si256(iExponent, iExponentHigh, 0x1);
 330     return { _mm256_mul_ps(value.simdInternal_, _mm256_castsi256_ps(iExponent)) };
 331 }
 332 #endif
 333
 334 static inline float gmx_simdcall reduce(SimdFloat a)
 335 {
 336     __m128 t0;
 337     t0 = _mm_add_ps(_mm256_castps256_ps128(a.simdInternal_), _mm256_extractf128_ps(a.simdInternal_, 0x1));
 338     t0 = _mm_add_ps(t0, _mm_permute_ps(t0, _MM_SHUFFLE(1, 0, 3, 2)));
 339     t0 = _mm_add_ss(t0, _mm_permute_ps(t0, _MM_SHUFFLE(0, 3, 2, 1)));
 340     return *reinterpret_cast<float*>(&t0);
 341 }
 342
 343 static inline SimdFBool gmx_simdcall operator==(SimdFloat a, SimdFloat b)
 344 {
 345     return { _mm256_cmp_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_, _CMP_EQ_OQ) };
 346 }
 347
 348 static inline SimdFBool gmx_simdcall operator!=(SimdFloat a, SimdFloat b)
 349 {
 350     return { _mm256_cmp_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_, _CMP_NEQ_OQ) };
 351 }
 352
 353 static inline SimdFBool gmx_simdcall operator<(SimdFloat a, SimdFloat b)
 354 {
 355     return { _mm256_cmp_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_, _CMP_LT_OQ) };
 356 }
 357
 358 static inline SimdFBool gmx_simdcall operator<=(SimdFloat a, SimdFloat b)
 359 {
 360     return { _mm256_cmp_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_, _CMP_LE_OQ) };
 361 }
 362
 363 // Override for AVX2 and higher
 364 #if GMX_SIMD_X86_AVX_256
 365 static inline SimdFBool gmx_simdcall testBits(SimdFloat a)
 366 {
 367     __m256 tst = _mm256_cvtepi32_ps(_mm256_castps_si256(a.simdInternal_));
 368
 369     return { _mm256_cmp_ps(tst, _mm256_setzero_ps(), _CMP_NEQ_OQ) };
 370 }
 371 #endif
 372
 373 static inline SimdFBool gmx_simdcall operator&&(SimdFBool a, SimdFBool b)
 374 {
 375     return { _mm256_and_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 376 }
 377
 378 static inline SimdFBool gmx_simdcall operator||(SimdFBool a, SimdFBool b)
 379 {
 380     return { _mm256_or_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 381 }
 382
 383 static inline bool gmx_simdcall anyTrue(SimdFBool a)
 384 {
 385     return _mm256_movemask_ps(a.simdInternal_) != 0;
 386 }
 387
 388 static inline SimdFloat gmx_simdcall selectByMask(SimdFloat a, SimdFBool mask)
 389 {
 390     return { _mm256_and_ps(a.simdInternal_, mask.simdInternal_) };
 391 }
 392
 393 static inline SimdFloat gmx_simdcall selectByNotMask(SimdFloat a, SimdFBool mask)
 394 {
 395     return { _mm256_andnot_ps(mask.simdInternal_, a.simdInternal_) };
 396 }
 397
 398 static inline SimdFloat gmx_simdcall blend(SimdFloat a, SimdFloat b, SimdFBool sel)
 399 {
 400     return { _mm256_blendv_ps(a.simdInternal_, b.simdInternal_, sel.simdInternal_) };
 401 }
 402
 403 static inline SimdFInt32 gmx_simdcall cvtR2I(SimdFloat a)
 404 {
 405     return { _mm256_cvtps_epi32(a.simdInternal_) };
 406 }
 407
 408 static inline SimdFInt32 gmx_simdcall cvttR2I(SimdFloat a)
 409 {
 410     return { _mm256_cvttps_epi32(a.simdInternal_) };
 411 }
 412
 413 static inline SimdFloat gmx_simdcall cvtI2R(SimdFInt32 a)
 414 {
 415     return { _mm256_cvtepi32_ps(a.simdInternal_) };
 416 }
 417
 418 } // namespace gmx
 419
 420 #endif // GMX_SIMD_IMPL_X86_AVX_256_SIMD_FLOAT_H