AVX512FP16: Optimize _Float16 reciprocal for div and sqrt
authorHongyu Wang <hongyu.wang@intel.com>
Mon, 25 Oct 2021 09:00:46 +0000 (17:00 +0800)
committerHongyu Wang <hongyu.wang@intel.com>
Thu, 28 Oct 2021 01:51:00 +0000 (09:51 +0800)
For _Float16 type, add insn and expanders to optimize x / y to
x * rcp (y), and x / sqrt (y) to x * rsqrt (y).
As Half float only have minor precision difference between div and
mul * rcp, there is no need for Newton-Rhapson approximation.

gcc/ChangeLog:

* config/i386/i386.c (use_rsqrt_p): Add mode parameter, enable
  HFmode rsqrt without TARGET_SSE_MATH.
(ix86_optab_supported_p): Refactor rint, adjust floor, ceil,
btrunc condition to be restricted by -ftrapping-math, adjust
use_rsqrt_p function call.
* config/i386/i386.md (rcphf2): New define_insn.
(rsqrthf2): Likewise.
* config/i386/sse.md (div<mode>3): Change VF2H to VF2.
(div<mode>3): New expander for HF mode.
(rsqrt<mode>2): Likewise.
(*avx512fp16_vmrcpv8hf2): New define_insn for rpad pass.
(*avx512fp16_vmrsqrtv8hf2): Likewise.

gcc/testsuite/ChangeLog:

* gcc.target/i386/avx512fp16-recip-1.c: New test.
* gcc.target/i386/avx512fp16-recip-2.c: Ditto.
* gcc.target/i386/pr102464.c: Add -fno-trapping-math.

gcc/config/i386/i386.c
gcc/config/i386/i386.md
gcc/config/i386/sse.md
gcc/testsuite/gcc.target/i386/avx512fp16-recip-1.c [new file with mode: 0644]
gcc/testsuite/gcc.target/i386/avx512fp16-recip-2.c [new file with mode: 0644]
gcc/testsuite/gcc.target/i386/pr102464.c

index 299e1ab..c578936 100644 (file)
@@ -18905,9 +18905,10 @@ ix86_vectorize_builtin_scatter (const_tree vectype,
    1.0/sqrt.  */
 
 static bool
-use_rsqrt_p ()
+use_rsqrt_p (machine_mode mode)
 {
-  return (TARGET_SSE && TARGET_SSE_MATH
+  return ((mode == HFmode
+          || (TARGET_SSE && TARGET_SSE_MATH))
          && flag_finite_math_only
          && !flag_trapping_math
          && flag_unsafe_math_optimizations);
@@ -23603,29 +23604,27 @@ ix86_optab_supported_p (int op, machine_mode mode1, machine_mode,
       return opt_type == OPTIMIZE_FOR_SPEED;
 
     case rint_optab:
-      if (mode1 == HFmode)
-       return true;
-      else if (SSE_FLOAT_MODE_P (mode1)
-              && TARGET_SSE_MATH
-              && !flag_trapping_math
-              && !TARGET_SSE4_1)
+      if (SSE_FLOAT_MODE_P (mode1)
+         && TARGET_SSE_MATH
+         && !flag_trapping_math
+         && !TARGET_SSE4_1
+         && mode1 != HFmode)
        return opt_type == OPTIMIZE_FOR_SPEED;
       return true;
 
     case floor_optab:
     case ceil_optab:
     case btrunc_optab:
-      if (mode1 == HFmode)
-       return true;
-      else if (SSE_FLOAT_MODE_P (mode1)
-              && TARGET_SSE_MATH
-              && !flag_trapping_math
-              && TARGET_SSE4_1)
+      if (((SSE_FLOAT_MODE_P (mode1)
+           && TARGET_SSE_MATH
+           && TARGET_SSE4_1)
+          || mode1 == HFmode)
+         && !flag_trapping_math)
        return true;
       return opt_type == OPTIMIZE_FOR_SPEED;
 
     case rsqrt_optab:
-      return opt_type == OPTIMIZE_FOR_SPEED && use_rsqrt_p ();
+      return opt_type == OPTIMIZE_FOR_SPEED && use_rsqrt_p (mode1);
 
     default:
       return true;
index e733a40..11535df 100644 (file)
                (match_operand:XF 2 "register_operand")))]
   "TARGET_80387")
 
+/* There is no more precision loss than Newton-Rhapson approximation
+  when using HFmode rcp/rsqrt, so do the transformation directly under
+  TARGET_RECIP_DIV and fast-math.  */
 (define_expand "divhf3"
   [(set (match_operand:HF 0 "register_operand")
        (div:HF (match_operand:HF 1 "register_operand")
                   (match_operand:HF 2 "nonimmediate_operand")))]
-  "TARGET_AVX512FP16")
+  "TARGET_AVX512FP16"
+{
+  if (TARGET_RECIP_DIV
+      && optimize_insn_for_speed_p ()
+      && flag_finite_math_only && !flag_trapping_math
+      && flag_unsafe_math_optimizations)
+    {
+      rtx op = gen_reg_rtx (HFmode);
+      operands[2] = force_reg (HFmode, operands[2]);
+      emit_insn (gen_rcphf2 (op, operands[2]));
+      emit_insn (gen_mulhf3 (operands[0], operands[1], op));
+      DONE;
+    }
+})
 
 (define_expand "div<mode>3"
   [(set (match_operand:MODEF 0 "register_operand")
            ]
            (symbol_ref "true")))])
 
+(define_insn "rcphf2"
+  [(set (match_operand:HF 0 "register_operand" "=v,v")
+       (unspec:HF [(match_operand:HF 1 "nonimmediate_operand" "v,m")]
+                  UNSPEC_RCP))]
+  "TARGET_AVX512FP16"
+  "@
+   vrcpsh\t{%d1, %0|%0, %d1}
+   vrcpsh\t{%1, %d0|%d0, %1}"
+  [(set_attr "type" "sse")
+   (set_attr "prefix" "evex")
+   (set_attr "mode" "HF")
+   (set_attr "avx_partial_xmm_update" "false,true")])
+
 (define_insn "*fop_xf_1_i387"
   [(set (match_operand:XF 0 "register_operand" "=f,f")
        (match_operator:XF 3 "binary_fp_operator"
   DONE;
 })
 
+(define_insn "rsqrthf2"
+  [(set (match_operand:HF 0 "register_operand" "=v,v")
+       (unspec:HF [(match_operand:HF 1 "nonimmediate_operand" "v,m")]
+                  UNSPEC_RSQRT))]
+  "TARGET_AVX512FP16"
+  "@
+   vrsqrtsh\t{%d1, %0|%0, %d1}
+   vrsqrtsh\t{%1, %d0|%d0, %1}"
+  [(set_attr "type" "sse")
+   (set_attr "prefix" "evex")
+   (set_attr "avx_partial_xmm_update" "false,true")
+   (set_attr "mode" "HF")])
+
 (define_insn "sqrthf2"
   [(set (match_operand:HF 0 "register_operand" "=v,v")
        (sqrt:HF
index bdc6067..4685ac9 100644 (file)
    (set_attr "mode" "<ssescalarmode>")])
 
 (define_expand "div<mode>3"
-  [(set (match_operand:VF2H 0 "register_operand")
-       (div:VF2H (match_operand:VF2H 1 "register_operand")
-                 (match_operand:VF2H 2 "vector_operand")))]
+  [(set (match_operand:VF2 0 "register_operand")
+       (div:VF2 (match_operand:VF2 1 "register_operand")
+                 (match_operand:VF2 2 "vector_operand")))]
   "TARGET_SSE2")
 
 (define_expand "div<mode>3"
+  [(set (match_operand:VF_AVX512FP16VL 0 "register_operand")
+       (div:VF_AVX512FP16VL
+         (match_operand:VF_AVX512FP16VL 1 "register_operand")
+         (match_operand:VF_AVX512FP16VL 2 "vector_operand")))]
+  "TARGET_AVX512FP16"
+{
+  /* Transform HF vector div to vector mul/rcp.  */
+  if (GET_MODE_INNER (<MODE>mode) == HFmode
+      && TARGET_RECIP_VEC_DIV
+      && optimize_insn_for_speed_p ()
+      && flag_finite_math_only && !flag_trapping_math
+      && flag_unsafe_math_optimizations)
+    {
+      rtx op = gen_reg_rtx (<MODE>mode);
+      operands[2] = force_reg (<MODE>mode, operands[2]);
+      emit_insn (gen_avx512fp16_rcp<mode>2 (op, operands[2]));
+      emit_insn (gen_mul<mode>3 (operands[0], operands[1], op));
+      DONE;
+    }
+})
+
+(define_expand "div<mode>3"
   [(set (match_operand:VF1 0 "register_operand")
        (div:VF1 (match_operand:VF1 1 "register_operand")
                 (match_operand:VF1 2 "vector_operand")))]
    (set_attr "prefix" "evex")
    (set_attr "mode" "HF")])
 
+(define_insn "*avx512fp16_vmrcpv8hf2"
+  [(set (match_operand:V8HF 0 "register_operand" "=v")
+       (vec_merge:V8HF
+         (vec_duplicate:V8HF
+           (unspec:HF [(match_operand:HF 1 "nonimmediate_operand" "vm")]
+                        UNSPEC_RCP))
+         (match_operand:V8HF 2 "register_operand" "v")
+         (const_int 1)))]
+  "TARGET_AVX512FP16"
+  "vrcpsh\t{%1, %2, %0|%0, %2, %w1}"
+  [(set_attr "type" "sse")
+   (set_attr "prefix" "evex")
+   (set_attr "mode" "HF")])
+
 (define_insn "<mask_codefor>rcp14<mode><mask_name>"
   [(set (match_operand:VF_AVX512VL 0 "register_operand" "=v")
        (unspec:VF_AVX512VL
   DONE;
 })
 
+(define_expand "rsqrt<mode>2"
+  [(set (match_operand:VF_AVX512FP16VL 0 "register_operand")
+       (unspec:VF_AVX512FP16VL
+         [(match_operand:VF_AVX512FP16VL 1 "vector_operand")]
+         UNSPEC_RSQRT))]
+  "TARGET_AVX512FP16")
+
 (define_insn "<sse>_rsqrt<mode>2"
   [(set (match_operand:VF1_128_256 0 "register_operand" "=x")
        (unspec:VF1_128_256
    (set_attr "prefix" "evex")
    (set_attr "mode" "HF")])
 
+(define_insn "*avx512fp16_vmrsqrtv8hf2"
+  [(set (match_operand:V8HF 0 "register_operand" "=v")
+       (vec_merge:V8HF
+         (vec_duplicate:V8HF
+           (unspec:HF [(match_operand:HF 1 "nonimmediate_operand" "vm")]
+                      UNSPEC_RSQRT))
+         (match_operand:V8HF 2 "register_operand" "v")
+         (const_int 1)))]
+  "TARGET_AVX512FP16"
+  "vrsqrtsh\t{%1, %2, %0<mask_scalar_operand3>|%0<mask_scalar_operand3>, %2, %w1}"
+  [(set_attr "type" "sse")
+   (set_attr "prefix" "evex")
+   (set_attr "mode" "HF")])
+
 (define_expand "cond_<code><mode>"
   [(set (match_operand:VFH 0 "register_operand")
        (vec_merge:VFH
diff --git a/gcc/testsuite/gcc.target/i386/avx512fp16-recip-1.c b/gcc/testsuite/gcc.target/i386/avx512fp16-recip-1.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..bc7cbbc
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,43 @@
+/* { dg-do compile } */
+/* { dg-options "-O3 -mavx512fp16 -mavx512vl -ffast-math" } */
+/* { dg-final { scan-assembler "vrcpsh.*\n.*vmulsh" } } */
+/* { dg-final { scan-assembler "vrcpph.*\n.*vmulph" } } */
+/* { dg-final { scan-assembler "vrsqrtsh.*\n.*vmulsh" } } */
+/* { dg-final { scan-assembler "vrsqrtph.*\n.*vmulph" } } */
+/* { dg-final { scan-assembler-not "vsqrtsh" } } */
+/* { dg-final { scan-assembler-not "vsqrtph" } } */
+/* { dg-final { scan-assembler-not "vdivsh" } } */
+/* { dg-final { scan-assembler-not "vdivph" } } */
+
+#define FAST_ATTR \
+  __attribute__((noinline, noclone, optimize("fast-math"), target("recip")))
+
+_Float16 FAST_ATTR
+scalar_hf_rcp_fast (_Float16 a, _Float16 b)
+{
+  return a / b;
+}
+
+_Float16 FAST_ATTR
+scalar_hf_rsqrt_fast (_Float16 a, _Float16 b)
+{
+  return a / __builtin_sqrtf16 (b);
+}
+
+void FAST_ATTR
+vector_hf_rcp_fast (_Float16 * restrict a, _Float16 * restrict b,
+                   _Float16 * restrict c, int n)
+{
+  int i;
+  for (i = 0; i < n; i++)
+    c[i] = a[i] / b[i];
+}
+
+void FAST_ATTR
+vector_hf_rsqrt_fast (_Float16 * restrict a, _Float16 * restrict b,
+                   _Float16 * restrict c, int n)
+{
+  int i;
+  for (i = 0; i < n; i++)
+    c[i] = a[i] / __builtin_sqrtf16(b[i]);
+}
diff --git a/gcc/testsuite/gcc.target/i386/avx512fp16-recip-2.c b/gcc/testsuite/gcc.target/i386/avx512fp16-recip-2.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..ed7e0a2
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,97 @@
+/* { dg-do run { target avx512fp16 } } */
+/* { dg-options "-O3 -mavx512fp16 -mavx512vl -ffast-math" } */
+
+static void recip_op_test (void);
+#define DO_TEST recip_op_test
+#define AVX512FP16
+#define AVX512VL
+#include "avx512f-check.h"
+#include "avx512fp16-recip-1.c"
+
+_Float16 a[32], b[32], vexp[32], vref[32], sa, sb, sexp, sref;
+
+#define NO_FAST_ATTR  \
+  __attribute__((noinline, noclone, \
+                optimize("fast-math,trapping-math")))
+
+_Float16 NO_FAST_ATTR
+scalar_hf_rcp_no_fast (_Float16 a, _Float16 b)
+{
+  return a / b;
+}
+
+_Float16 NO_FAST_ATTR
+scalar_hf_rsqrt_no_fast (_Float16 a, _Float16 b)
+{
+  return a / __builtin_sqrtf16 (b);
+}
+
+void NO_FAST_ATTR
+vector_hf_rcp_no_fast (_Float16 * restrict a, _Float16 * restrict b,
+                   _Float16 * restrict c, int n)
+{
+  int i;
+  for (i = 0; i < n; i++)
+    c[i] = a[i] / b[i];
+}
+
+void NO_FAST_ATTR
+vector_hf_rsqrt_no_fast (_Float16 * restrict a, _Float16 * restrict b,
+                   _Float16 * restrict c, int n)
+{
+  int i;
+  for (i = 0; i < n; i++)
+    c[i] = a[i] / __builtin_sqrtf16 (b[i]);
+}
+
+void init()
+{
+  int i;
+  sa = 3.75;
+  sb = 6.25;
+  sexp = sref = 2.75;
+  for (i = 0; i < 32; i++)
+    {
+      a[i] = i + 0.5; 
+      b[i] = i * 1.5;
+      vexp[i] = vref[i] = 2.75 * i;
+    }
+}
+
+int check_cond(void *a, void *b, int size)
+{
+  int i;
+  unsigned short *pa = (unsigned short *)a,
+                *pb = (unsigned short *)b;
+  for (i = 0; i < size; i++)
+    if (pa[i] != pb[i])
+      return 0;
+  return 1;
+}
+
+static void recip_op_test()
+{
+  init ();
+  sexp = scalar_hf_rcp_fast (sa, sb);
+  sref = scalar_hf_rcp_no_fast (sa, sb);
+  if (!check_cond (&sexp, &sref, 1))
+    abort ();
+
+  init ();
+  sexp = scalar_hf_rsqrt_fast (sa, sb);
+  sref = scalar_hf_rsqrt_no_fast (sa, sb);
+  if (!check_cond (&sexp, &sref, 1))
+    abort ();
+
+  init ();
+  vector_hf_rcp_fast (a, b, vexp, 32);
+  vector_hf_rcp_no_fast (a, b, vref, 32);
+  if (!check_cond (vexp, vref, 1))
+    abort ();
+
+  init ();
+  vector_hf_rsqrt_fast (a, b, vexp, 32);
+  vector_hf_rsqrt_no_fast (a, b, vref, 32);
+  if (!check_cond (vexp, vref, 1))
+    abort ();
+}
index e3e060e..7e1fbdc 100644 (file)
@@ -1,6 +1,6 @@
 /* PR target/102464.  */
 /* { dg-do compile } */
-/* { dg-options "-O2 -mavx512fp16" } */
+/* { dg-options "-O2 -mavx512fp16 -fno-trapping-math" } */
 
 #define FOO(FUNC,SUFFIX)                       \
   _Float16                                     \