AVX-512究竟意味着什么？
英特尔和AMD不约而同地选择在临近年底的时候发布了自家的HEDT桌面高端平台新品：10代酷睿X系列和第3代ThreadRipper线程撕裂者。作为一对儿早已“知己知彼”的老对手，两者HEDT平台的产品特性甚至都非常的接近。相比于各自的MSDT产品，都拥有更大规模的核心数量；都支持4通道内存以实现更高的数据带宽，都提供了更多的PCIe通道以支持更多的扩展设备。唯一的区别来自指令集：酷睿X已经是第3代支持AVX-512指令集的产品，而AMD的新TR则刚刚实现对AVX2的支持。两者的3个共同特性，都是从物理规格上进行了提升，很容易理解。但AVX-512指令集对于大多数人来说就显得有些看不见摸不着了。今天我们就来聊聊AVX-512指令集究竟会带来哪些性能上的提升。
什么是指令集？什么是AVX-512？
CPU是由晶体管组成的逻辑电路构成的，比如我们熟知的与非门就是一种最简单的数字逻辑电路，除此之外还会有或非门、异或门、异或非门、施密特触发门等等。这些简单逻辑电路只能处理完整运算中的一部分，通过大量组合这些简单逻辑电路形成通用计算单元，并输入指令和数据，就可以让CPU执行复杂的运算和判断了。当运算的指令越来越多，越来越复杂时，为了提升计算效率，人为的将指令进行划分重组，形成一套相对规范化的集合，这就是指令集。
Core i9-10980XE支持十多种扩展指令集
目前使用的最广泛的指令集，就是英特尔的X86指令集，基于该指令集系统的处理器，被叫做X86架构——我们现在电脑里用到的所有处理器，无论是英特尔的还是AMD的，都是这个指令集的衍生物。几十年来随着CPU计算能力的增强，不断会有新的指令被补充进来，例如对64bit计算的支持就诞生了X86-64指令集，这也是我们当前PC处理器的指令标准规范。同时，也会有一些专门针对某一特殊运算而开发的扩展指令集，用来提升CPU在某些特定方面的计算能力，比如我们熟悉的SSE（Streaming SIMD Extensions，流式单指令多数据流扩展）系列指令集是用来提升多媒体性能的，VT-x（Intel Vertualization）则主要面向虚拟化性能，AES-IN主要是针对加密/解密算法，以及AVX（Advanced Vector Extensions，高级矢量扩展）指令集。
英特尔处理器在SIMD指令集数据宽度上的进化路线，以2011年为界，之前是SSE，之后是AVX
AVX指令集和SSE系列指令集可以说是一脉相承，都属于SIMD（单指令多数据流）指令集，由英特尔在2008年3月份提出，2011年1月份发布的Sandy Bridge系列处理器上首次支持。同年6月份，英特尔发布AVX2（现在通常被叫做AVX256）指令集，将整数操作从128bit扩展到256bit，并引入了FMA（融合乘加）指令集作为补充。2年后的Haswell系列处理器成为首批支持AVX2指令集的CPU产品。
2013年，英特尔正式发布了AVX-512指令集，将指令宽度进一步扩展到了512bit，相比AVX2在数据寄存器宽度、数量以及FMA单元的宽度都增加了一倍，所以在每个时钟周期内可以打包32 次双精度和 64 次单精度浮点运算，或者8个 64 位和16个 32 位整数，因此在图像/音视频处理、数据分析、科学计算、数据加密和压缩以及人工智能/深度学习等密集型计算应用场景中，会带来前所未有的强大性能表现，理论上浮点性能翻倍，整数计算则增加约33%的性能。
英特尔还在不断扩充AVX-512的指令范围，比如10代酷睿X作为第3代支持AVX-512指令集的民用级处理器，就扩展了VNNI（Vector Neural Network Instructions，矢量神经网络指令）指令集，用于加速深入学习中常用的整数矩阵运算。
AVX-512能带来多大提升？
与物理规格（比如核心/线程数量、主频）的提升会带来性能有立竿见影的变化不同，指令集对性能的贡献往往会拖后一段时间才能逐渐体现出来。因为在硬件就位之后，还需要软件本身对指令集进行充分利用和优化才行。在CPU对AVX-512的支持3年后，AVX-512的应用环境终于迈开了普及的步伐。至少现在有大量的Benchmark能够体现出AVX-512的威力。
Sandra 2020已经支持AVX-512指令集。由于我们暂时还没有拿到Zen2架构的TR处理器，因此只能选择AMD目前最强的Ryzen 9 3950X来进行对比。在处理器多媒体性能测试4个子项目中，Core i9-10980XE均大幅度领先Ryzen 9 3950X，其中最大优势达到了48.7%。虽然前者多了2个核心，但实际上Core i9-10980XE在默认设置下全核AVX-512是运行在2.8GHz下的，而3950X则运行在3.5GHz，Core i9-10980XE以更低的频率却跑出了远胜于对手的成绩，由此可见AVX-512的巨大威力。
除此以外，Sandra 2020在影像处理、加密/解密以及科学计算3个项目中也都提供了对AVX-512指令集的完善支持，因此Core i9-10980XE在这3各项目中的领先优势也相当惊人。
AIDA64从v5.97版本开始在测试模块中引入了对AVX-512的支持
AIDA64在v5.97版本之后也开始提供对AVX-512指令集的支持。其中性能测试中的CPU PhotoWorxx（检测图像处理性能）、FPU Julia（测试单精度浮点性能）、FPU Mandel（测试双精度浮点性能）、FP32/FP64 Ray-Trace（测试光线追踪计算中单/双精度浮点性能）优化了对AVX-512指令的调用，因此Core i9-10980XE在这几个项目中优势都非常明显。当然还是要指出一下：CPU PhotoWorxx和FP32/FP64 Ray-Trace这3个项目之所以领先优势如此巨大，也是因为都对内存带宽有着非常高的需求，Core i9-10980XE的4通道内存在其中贡献不小。
虽然在多媒体处理、科学计算等项目上有着巨幅的领先优势，只是这些应用环境对于普通PC用户来说听起来还是显得有点“虚”。其实目前游戏领域也已经逐渐开始引入AVX系列指令集用以加速坐标变换或者加密（最招人恨的Denuvo加密就使用AVX指令集进行加密）。其中最典型的例证就是育碧的《刺客信条：奥德赛》刚发售时不少玩家遭遇崩溃、闪退等问题，最终以育碧修改了部分AVX代码，让不支持该指令集的CPU也能够运行该游戏才解决了问题。
3DMark Time Spy Extreme的自定义界面中，允许手动指定CPU使用的指令集
3DMark在最新的Time Spy Extreme项目里提供了对AVX-512的支持。在自定义测试界面中，可以指定指令集进行运行。从物理测试的结果可以看到，当使用AVX2指令集的时候，Core i9-10980XE与Ryzen 9 3950X的成绩基本一致，而在AVX-512指令集下，后者由于并不支持，因此成绩几乎没有变化，但Core i9-10980XE的性能得到了大幅提升，领先幅度暴增至接近20%。
AVX-512的未来
英特尔一直将AVX-512作为Xeon和HEDT平台的王牌特性，因此只在部分商业软件和科学计算/模拟软件上得到有效利用。这样虽然增强了产品本身的技术优势，但也在一定程度上限制住了AVX-512的普及。毕竟AMD在指令集方面只是个“弟中弟”，只能亦步亦趋的跟在英特尔后面（例如AVX2指令集直到今年才被Zen2架构引入，落后英特尔6年之久）。
选择酷睿X，选择AVX-512，才能战未来
但这样的情况即将改变：目前移动端的10nm Ice Lake系列处理器已经支持AVX-512指令集，明年1季度即将发布的MSDT平台的Comet Lake处理器，也将成为第一款支持AVX-512的主流桌面级处理器。这意味着至少在英特尔方面，即将全面普及AVX-512，由此将会导致大量的应用，特别是游戏和日常应用将会开始使用AVX-512并进行针对性优化。考虑到AMD在这方面的落后，想必近未来一段时间，由于英特尔处理器会在各大Benchmark和应用软件中的性能会突然出现大幅度跃升，各大媒体的CPU性能天梯图和排行榜，又要大规模改版了。
采用，SHA256（SHA256哈希计算是有效负载处理管道的重要部分）
优点：
1、寄存器变化（与AVX2相比，不仅寄存器的宽度从256位增加到512位，而且寄存器的数量也增加了一倍，达到32）
2、比AVX2提供高达8倍的性能提升，由于并行处理了16条消息
如何最好地利用
为了获得AVX512实现的最佳性能，这里有一些提示：
有很多例行程序并行进行SHA256计算。
尝试使用Write()64字节的倍数的消息。
尝试将消息的总长度保持在大致相似的大小 - 这样AVX512计算中的所有16个“通道”都尽可能地做出贡献。
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