SIMDBefehlssätzen

SIMD-Befehlssätze (Single Instruction, Multiple Data) sind eine Klasse von Prozessorinstruktionen, die es ermöglichen, mehrere Datenwerte gleichzeitig mit einer einzigen Anweisung zu verarbeiten. Dabei arbeiten sie mit Vektorregistern, in die mehrere Werte geladen werden. Die gleiche Operation wird parallel auf allen Datenländern (Lanes) ausgeführt, wodurch sich der Daten-Durchsatz gegenüber rein skalaren Befehlen erheblich erhöht.

Die Breite der Vektorregister bestimmt, wie viele Werte pro Instruktion verarbeitet werden können, typischerweise 128, 256 oder 512 Bit. Typische Datentypen umfassen Ganzzahlen und Gleitkommawerte. SIMD-Instruktionsfamilien unterscheiden sich je nach Architektur und Zielplattform, etwa x86-Sets wie MMX, SSE, SSE2 bis SSE4, AVX, AVX2 und AVX-512 sowie ARM-Neon, IBM Altivec und andere.

Historisch entstanden SIMD-Befehlssätze aus dem Bedarf, Multimedia- und wissenschaftliche Anwendungen zu beschleunigen. MMX der späten 1990er Jahre markierte einen frühen Schritt, gefolgt von SSE und später AVX. NEON setzte sich auf mobilen und eingebetteten Plattformen durch, Altivec war in PowerPC/Cell-Architekturen verbreitet.

Programmierung erfolgt häufig über Intrinsics, die direkten Zugriff auf SIMD-Instruktionen ermöglichen, oder über Compiler-Optimierungen, die automatische Vektorisierung versuchen. Wichtige Anforderungen betreffen Datenausrichtung, speicherbezogene Abhängigkeiten und das Vermeiden von Sequenzen, die keine volle Parallelität zulassen.

In der Praxis liefern SIMD-Befehlssätze signifikante Leistungssteigerungen in Bereichen wie Multimedia, Bild- und Signalverarbeitung sowie wissenschaftliche Berechnungen. Sie bleiben jedoch durch Datenlayout, Portabilität und Komplexität der Programmierung anspruchsvoll. Heutzutage sind SIMD-Instruktionssets integraler Bestandteil moderner CPUs, mit fortlaufenden Erweiterungen hin zu breiteren Vektoren und neuen Architekturen wie AVX-512 und SVE.