Alla fine del 1999, Apple ha introdotto sul mercato i computer PowerMac G4 dotati di processore Motorola MPC7400, i primi processori ad implementare la tecnologia AltiVec; Questa tecnologia rappresenta un'espansione all'architettura RISC (Reduced Instruction Set Computer) specificatamente dedita al vector processing. L'architettura AltiVec, sviluppata da Apple, Motorola e IBM, è stata la prima a permettere ad un microprocessore di ottenere performance superiori ad 1 Gigaflop/s.

Poiché il trend generale dell'industria è quello di usare processori programmabili per implementare filtri adattivi, modulatori/demodulatori e altre funzioni prima possibili solo via hardware, si è venuta a creare una grossa opportunità per i processori ad elevate prestazioni come il G4, soprattutto nell'ambito della ricerca e delle applicazioni avanzate.

G4, il cuore di una nuova rivoluzione

"Forget megaherts, we're talking gigaflops", questo è lo slogan con cui Apple pubblicizza la nuova linea di computer basati su PowerPC G4. Che alla Apple siano sempre andati contro corrente, è un dato di fatto. Basti pensare al PowerMac Cube o alla linea di computer iMac, che oltre ad essere dei buoni Personal Computer sono degli splendidi oggetti d'arredamento che rallegrano uno studio o il salotto di casa. Steve Jobs, CEO di Apple, ha illustrato a San Francisco (all'SF2001) la strategia dell'azienda per il prossimo futuro riassumendola con il nuovo motto - Digital Life Style - dicendo basta alle lotte di religione fatte a colpi di Megahertz e sostenendo che le prestazioni ottenibili con i 733MHz del nuovo PowerPC G4 con Velocity Engine sono maggiori di quelle del Pentium 4 a 1,5GHz mostrando un PC impiegato a fare con Photoshop le stesse cose fatte dal Mac.

Il nuovo Jobs-pensiero dice che per uscire dalla crisi che ha colpito il settore dell'informatica occorre cambiare pelle ai PC trasformandoli in dispositivi multiuso e multimediali. I nuovi PowerBook G4 sono computer mobili potenti e resistenti che integrano al meglio le tecnologie che hanno fatto la fortuna di Apple, ma soprattutto vogliono essere le basi per la futura rivoluzione. I nuovi computer che avranno come cuore un G4 e come cervello il nuovo sistema operativo MacOs X faranno da ponte tra le esigenze professionali e il tempo libero. Questa è la strategia che portò USB sull'iMac, poi FireWire per l'utilizzo di videocamere digitali, il collegamento con i palmari, e adesso l'integrazione con lettori di MP3, la realizzazione di CD Audio, fino all'incredibile iDVD (suite di creazione DVD).

Velocity Engine e tecnologia AltiVec

Il processore PowerPC G4 è dotato di circuiteria chiamata Velocity Engine che consiste in una unità di calcolo vettoriale a 128-bit capace di operare indipendentemente dalle due unità intere a 32-bit e dall'unità in virgola mobile a 64-bit. In questo modo il G4 è capace di eseguire fino a 16 operazioni in un singolo ciclo di clock. La tecnologia AltiVec è un'architettura parallela a vettori corti. A seconda delle dimensioni dei dati, i vettori sono composti da 4, 8 o 16 elementi, al contrario di quello che avviene nelle classiche architetture dei supercomputer che usano vettori lungi centinaia di elementi. L'approccio dei vettori lunghi, seppur utile nei calcoli scientifici, non è ottimale nei settori delle comunicazioni e del multimedia, target primario del PowerPC G4.

L'unità di calcolo vettoriale può operare quindi in tre diversi modi:

· Parallelismo a 16 vie usando interi a 8-bit con e senza segno o caratteri
· Parallelismo a 8 vie usando interi a 16-bit con e senza segno
· Parallelismo a 4 vie usando interi a 32-bit con e senza segno o numeri in virgola mobile a singola precisione

Ci sono 32 registri dedicati a 128-bit per contenere i dati dell'unità vettoriale e il set di istruzioni del PowerPC è stato esteso con 162 nuove operazioni vettoriali, eseguite tutte in un singolo ciclo di clock. L'unità vettoriale opera su tutti gli elementi del registro simultaneamente, usando una tecnica nota come calcolo parallelo SIMD (single instructions, multiple data). Queste istruzioni si dividono in quattro classi:

1. Operazioni aritmetiche intra-elemento
2. Operazioni aritmetiche inter-elemento
3. Operazioni non-aritmetiche intra-elemento
4. Operazioni non-aritmetiche inter-elemento

Operazioni aritmetiche intra-elemento
Le operazioni aritmetiche intra-elemento eseguono computazioni parallele indipendenti sugli elementi contenuti nel registro sorgente e mettono i risultati nei campi corrispondenti del registro destinazione. Le operazioni intra-elemento supportano entrambi i tipi di dato, interi o virgola mobile, con o senza segno. Alcune delle operazioni sono la somma, la sottrazione, il prodotto, il prodotto con somma , il calcolo del minimo, del massimo e della media, oltre alla conversione fra numeri in virgola mobile e interi a 32-bit. Facciamo un esempio di operazione prodotto con somma, tipo a*b+c, sui vettori invece che sui numeri. Immaginate di avere la quadrupla a = {1,3,2,5} di moltiplicarla per la quadrupla b = {2,12,4,40} e infine di aggiungere al risultato un'altra quadrupla c = {1,1,10,3}, e di poter ottenere il risultato in un colpo solo:

{1,3,2,5} * {2,12,4,40} + {1,1,10,3} = {3,37,18,203}

Come si può vedere vengono effettuate 8 operazioni (4 moltiplicazioni e 4 addizioni) in una volta sola. Questo modo di operare permette al G4 di essere fino a otto volte più veloce di un processore non vettoriale tipo il Pentium, anche se tipicamente il vantaggio rimane intorno alle due - quattro volte. Un G4 500MHz raggiunge prestazioni di picco di 4 gigaflops, anche se in situazioni di uso comune si arriva "solamente" a 2-3 gigaflops.

Operazioni aritmetiche inter-elemento
Sono poche le operazioni inter-elemento messe a disposizione, prevalentemente quelle necessario al calcolo del prodotto vettoriale.

Operazioni non-aritmetiche intra-elemento
Sono incluse varie forme di comparazione, spostamento e rotazione, oltre alle operazioni logiche AND, OR, NOT, XOR, AND-NOT.

Operazioni non-aritmetiche inter-elemento
Sono le operazioni di pack e unpack, inclusa una operazione speciale per maneggiare il formato dei pixel 1/5/5/5 comune nei pixel a 16-bit colore. Forse l'operazione più potente è la permutazione. L'operazione di permutazione è capace di selezionare dati arbitrari con una granularità di 8-bit da due registri sorgente per metterli in un registro destinazione.

Di quanto migliora il mio modo di lavorare?

Il set di istruzioni SIMD si rivolge non solo alle tradizionali funzioni DSP, ma permette di ottenere incrementi nella computazioni tali da far scendere molti algoritmi ad una complessità superlineare. Pensate, dati i 4 gigaflops di potenza di cui 1 gigaflop sostenibile, alle accelerazioni ottenibili in settori come il Voice over IP (il processore G4 permette la gestione di 30 canali simultanei bidirezionali di traffico VoIP), il riconoscimento vocale, i modem multi-canale, le video-conferenze. Inoltre molti compiti divengono gestibili in tempo reale, come le comunicazioni a banda larga (ci sono incrementi nelle performance tra il 400% e il 2000% per gli algoritmi di routing e di rete specifici per architettura PowerPC), il riconoscimento del parlato continuo, la grafica 3D, la realtà virtuale, MPEG2, MPEG4, il 3D Audio. Un modo per capire cosa si può fare con una potenza di 1 gigaflop è quella di considerare un video clip di 1.000x1.000 pixels con frame-rate di 30 quadri al secondo. Otteniamo quindi 30 milioni di pixels al secondo. Con 1 gigaflop possiamo fare 33 operazioni per pixel mantenendo il frame-rate. Molti dei moderni compressori basati sulle trasformate - MPEG, JPEG2000(motion), schemi wavelet - richiedono a malapena una dozzina di operazioni algebriche per pixel. Questo vuol dire che un G4 ha abbastanza potenza da poter fare una cosa del genere in tempo reale. E' vero che anche i processori Pentium sono dotato di una forma di vettorizzazione, in alcuni casi spinta come quella del G4, ma occorre osservare che MMX/SSE ha prestazioni mediamente peggiori a parità di frequenza.

AltiVec	MMX & SSE
32 registri dedicati	8 registri MMX condivisi con la FPU, 8 registri SSE dedicati
128-bit per registro	64-bit / 128bit
162 nuove istruzioni	127 nuove istruzioni
Nessuna interferenza con la FPU	MMX blocca la FPU
Nessun Context o mode switching	MMX richiede un context switching

E' possibile leggere i risultati dei test sulla signal-processing library code sul sito web di Intel (www.intel.com) per accorgersi che una FFT di 1024 punti su un Pentium III 600MHz viaggia a circa 850 megaflops, mentre la stessa trasformata sul G4 500MHz viaggia a 2,5 gigaflops. Le funzioni del PowerPC G4 sono state scritte per funzionare nella fascia tra i 2 e i 3 gigaflops tra cui operazioni matriciali, convoluzioni, filtri digitali e così via. Chi è versato nella grafica e nell'elaborazione dei segnali riconoscerà queste operazioni come le più importanti e le più usate. Documenti prodotti dall'ACG (Apple's Advanced Computation Group) che mostrano i risultati sulle FFT, wavelets, algebra matriciale e algebra a multiprecisione sono disponibili sul sito web developer.apple.com/hardware/altivec/acgresearch.html.

Dopo aver letto questo articolo vi starete chiedendo cosa possa trattenervi dall'acquistare un PowerMac o il bellissimo PowerBook Titanium. La risposta è purtroppo semplice e dolorosa: la superiorità del G4 rispetto ai processori non vettoriali rimane vincolata alla disponibilità di software che sfrutti appieno le capacità del Velocity Engine. Purtroppo ad oggi sono ancora pochi i compilatori pensati per il G4, limitando quindi la quantità di software ottimizzato per questa tecnologia. La buona notizia è che il nuovo sistema operativo MacOS X supporterà il Velocity Engine. In particolare sarà sfruttato dalla nuova interfaccia grafica Quartz, dalla libreria QuickDraw e dalla tecnologia QuickTime.

a cura di Max Manfrin

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