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index 56b47af354e1f4dba38fb69426432c4cfb1a3d4e..23b9e811b5641af5f37dc558f0e0a4f80e51dd79 100644 (file)
@@ -36,6 +36,11 @@ Fundamental design principles:
 * Preserving the underlying scalar execution dependencies as if the
   for-loop had been expanded as actual scalar instructions
   (termed "preserving Program Order")
+* Specifically designed to be Precise-Interruptible at all times
+  (many Vector ISAs have operations which, due to higher internal
+  accuracy or other complexity, must be effectively atomic only for
+  the full Vector operation's duration, adversely affecting interrupt
+  response latency, or be abandoned and started again)
 * Augments ("tags") existing instructions, providing Vectorisation
   "context" rather than adding new instructions.
 * Strictly does not interfere with or alter the non-Scalable Power ISA
@@ -76,15 +81,41 @@ Advantages of these design principles:
 Comparative instruction count:
 
 * ARM NEON SIMD: around 2,000 instructions, prerequisite: ARM Scalar.
-* ARM SVE: around 4,000 instructions, prerequisite: NEON. 
-* ARM SVE2: around 1,000 instructions, prerequisite: SVE
+* ARM SVE: around 4,000 instructions, prerequisite: NEON and ARM Scalar 
+* ARM SVE2: around 1,000 instructions, prerequisite: SVE, NEON, and
+  ARM Scalar for a grand total of well over 7,000 instructions.
 * Intel AVX-512: around 4,000 instructions, prerequisite AVX, AVX2,
   AVX-128 and AVX-256 which in turn critically rely on the rest of
   x86, for a grand total of well over 10,000 instructions.
 * RISV-V RVV: 192 instructions, prerequisite 96 Scalar RV64GC instructions
-* SVP64: **five** instructions, 24-bit prefixing of
+* SVP64: **six** instructions, two of which are in the same space
+  (svshape, svshape2), with 24-bit prefixing of
   prerequisite SFS (150) or
-  SFFS (214) Compliancy Subsets
+  SFFS (214) Compliancy Subsets.
+  **There are no dedicated Vector instructions, only Scalar-prefixed**.
+
+Comparative Basic Design Principle:
+
+* ARM NEON and VSX: PackedSIMD. No instruction-overloaded meaning
+  (every instruction is unique for a given register bitwidth,
+  guaranteeing binary interoperability)
+* Intel AVX-512 (and below): Hybrid Packed-Predicated SIMD with no
+  instruction-overloading, guaranteeing binary interoperability
+  but at the same time penalising the ISA with runaway
+  opcode proliferation.
+* ARM SVE/SVE2: Hybrid Packed-Predicated SIMD with instruction-overloading
+  that destroys binary interoperability. This is hidden behind the
+  misuse of the word "Scalable" and is **permitted under License**
+  by "Silicon Partners".
+* RISC-V RVV: Cray-style Scalable Vector but with instruction-overloading
+  **permitted by the specification** that destroys binary interoperability.
+* SVP64: Cray-style Scalable Vector with no instruction-overloaded
+  meanings.  The regfile numbers and bitwidths shall **not** change
+  in a future revision (for the same instruction encoding):
+  "Silicon Partner" Scaling is prohibited,
+  in order to guarantee binary interoperability.  Future revisions
+  of SVP64 may extend VSX instructions to achieve larger regfiles, and
+  non-interoperability on the same will likewise be prohibited.
 
 SV comprises several [[sv/compliancy_levels]] suited to Embedded, Energy
 efficient High-Performance Compute, Distributed Computing and Advanced
@@ -96,16 +127,21 @@ optional and future features is possible.
 
 Pages being developed and examples
 
+* [[sv/executive_summary]]
 * [[sv/overview]] explaining the basics.
 * [[sv/compliancy_levels]] for minimum subsets through to Advanced
   Supercomputing.
 * [[sv/implementation]] implementation planning and coordination
+* [[sv/po9_encoding]] a new DRAFT 64-bit space similar to EXT1xx,
+  introducing new areas EXT232-63 and EXT300-363
 * [[sv/svp64]] contains the packet-format *only*, the [[svp64/appendix]]
   contains explanations and further details
+* [[sv/svp64-single]] still under development
 * [[sv/svp64_quirks]] things in SVP64  that slightly break the rules
   or are not immediately apparent despite the RISC paradigm
 * [[opcode_regs_deduped]] autogenerated table of SVP64 decoder augmentation
 * [[sv/sprs]] SPRs
+* [[sv/rfc]] RFCs to the [OPF ISA WG](https://openpower.foundation/isarfc/)
 
 SVP64 "Modes":
 
@@ -125,15 +161,55 @@ Core SVP64 instructions:
 * [[sv/setvl]] the Cray-style "Vector Length" instruction
 * svremap, svindex and svshape: part of [[sv/remap]] "Remapping" for
   Matrix Multiply, DCT/FFT and RGB-style "Structure Packing"
-  as well as Indexing. Also describes associated SPRs.
+  as well as general-purpose Indexing. Also describes associated SPRs.
 * [[sv/svstep]] Key stepping instruction, primarily for
   Vertical-First Mode and also providing traditional "Vector Iota"
   capability.
 
-*Please note: there are only five instructions in the whole of SV.
+*Please note: there are only six instructions in the whole of SV.
 Beyond this point are additional **Scalar** instructions related to
 specific workloads that have nothing to do with the SV Specification*
 
+# Stability Guarantees in Simple-V
+
+Providing long-term stability in an ISA is extremely challenging
+but critically important.
+It requires certain guarantees to be provided.
+
+* Firstly: that instructions will never be ambiguously-defined.
+* Secondly, that no instruction shall change meaning to produce
+  different results on different hardware (present or future).
+* Thirdly, that Scalar "defined words" (32 bit instruction
+  encodings) if Vectorised will also always be implemented as
+  identical Scalar instructions (the sole semi-exception being
+  Vectorised Branch-Conditional)
+* Fourthly, that implementors are not permitted to either add
+  arbitrary features nor implement features in an incompatible
+  way. *(Performance may differ, but differing results are
+  not permitted)*.
+* Fifthly, that any part of Simple-V not implemented by
+  a lower Compliancy Level is *required* to raise an illegal
+  instruction trap (allowing soft-emulation), including if
+  Simple-V is not implemented at all.
+* Sixthly, that any `UNDEFINED` behaviour for practical implementation
+  reasons is clearly documented for both programmers and hardware
+  implementors.
+
+In particular, given the strong recent emphasis and interest in
+"Scalable Vector" ISAs, it is most unfortunate that both ARM SVE
+and RISC-V RVV permit the exact same instruction to produce
+different results on different hardware depending on a
+"Silicon Partner" hardware choice. This choice catastrophically
+and irrevocably causes binary non-interoperability *despite being
+a "feature"*.  Explained in <https://m.youtube.com/watch?v=HNEm8zmkjBU>
+it is the exact same binary-incompatibility issue faced by Power ISA
+on its 32- to 64-bit transition: 32-bit hardware was **unable** to
+trap-and-emulate 64-bit binaries because the opcodes were (are) the same.
+
+It is therefore *guaranteed* that extensions to the register file
+width and quantity in Simple-V shall only be made in future by
+explicit means, ensuring binary compatibility.
+
 # Optional Scalar instructions
 
 **Additional Instructions for specific purposes (not SVP64)**
@@ -142,16 +218,17 @@ All of these instructions below have nothing to do with SV.
 They are all entirely designed as Scalar instructions that, as
 Scalar instructions, stand on their own merit. Considerable
 lengths have been made to provide justifications for each of these
-*Scalar* instructions.
+*Scalar* instructions in a *Scalar* context, completely independently
+of SVP64.
 
-Some of these Scalar instructions are specifically designed to make
+Some of these Scalar instructions happen also designed to make
 Scalable Vector binaries more efficient, such
 as the crweird group.  Others are to bring the Scalar Power ISA
 up-to-date within specific workloads,
-such as a Javascript Rounding instruction
-(which saves 35 instructions including 5 branches). None of them are strictly
-necessary but performance and power consumption may be (or, is already)
-compromised
+such as a JavaScript Rounding instruction
+(which saves 32 scalar instructions including seven branch instructions).
+None of them are strictly necessary but performance and power consumption may
+be (or, is already) compromised
 in certain workloads and use-cases without them.
 
 Vector-related but still Scalar:
@@ -169,6 +246,7 @@ Stand-alone Scalar Instructions:
 * [[sv/fclass]] detect class of FP numbers
 * [[sv/int_fp_mv]] Move and convert GPR <-> FPR, needed for !VSX
 * [[sv/av_opcodes]] scalar opcodes for Audio/Video
+* [[prefix_codes]] Decode/encode prefix-codes, used by JPEG, DEFLATE, etc.
 * TODO: OpenPOWER adaptation [[openpower/transcendentals]]
 
 Twin targetted instructions (two registers out, one implicit, just like
@@ -181,6 +259,95 @@ Load-with-Update).
 Explanation of the rules for twin register targets
 (implicit RS, FRS) explained in SVP64 [[svp64/appendix]]
 
+# Architectural Note
+
+This section is primarily for the ISA Working Group and for IBM
+in their capacity and responsibility for allocating "Architectural
+Resources" (opcodes), but it is also useful for general understanding
+of Simple-V.
+
+Simple-V is effectively a type of "Zero-Overhead Loop Control" to which
+an entire 24 bits are exclusively dedicated in a fully RISC-abstracted
+manner. Within those 24-bits there are no Scalar instructions, and
+no Vector instructions: there is *only* "Loop Control".
+
+This is why there are no actual Vector operations in Simple-V: *all* suitable
+Scalar Operations are Vectorised or not at all.  This has some extremely
+important implications when considering adding new instructions, and
+especially when allocating the Opcode Space for them.
+To protect SVP64 from damage, a "Hard Rule" has to be set:
+
+     Scalar Instructions must be simultaneously added in the corresponding
+     SVP64 opcode space with the exact same 32-bit "Defined Word" or they
+     must not be added at all.  Likewise, instructions planned for addition
+     in what is considered (wrongly) to be the exclusive "Vector" domain
+     must correspondingly be added in the Scalar space with the exact same
+     32-bit "Defined Word", or they must not be added at all.
+
+Some explanation of the above is needed.  Firstly, "Defined Word" is a term
+used in Section 1.6.3 of the Power ISA v3 1 Book I: it means, in short,
+"a 32 bit instruction", which can then be Prefixed by EXT001 to extend it
+to 64-bit (named EXT100-163).
+Prefixed-Prefixed (96-bit Variable-Length) encodings are
+prohibited in v3.1 and they are just as prohibited in Simple-V: it's too
+complex in hardware.  This means that **only** 32-bit "Defined Words"
+may be Vectorised, and in particular it means that no 64-bit instruction
+(EXT100-163) may **ever** be Vectorised.
+
+Secondly, the term "Vectoriseable" was used.  This refers to "instructions
+which if SVP64-Prefixed are actually meaningful". `sc` is meaningless
+to Vectorise, for example, as is `sync` and `mtmsr` (there is only ever
+going to be one MSR).
+
+The problem comes if the rationale is applied, "if unused,
+Unvectoriseable opcodes
+can therefore be allocated to alternative instructions mixing inside
+the SVP64
+Opcode space",
+which unfortunately results in huge inadviseable complexity in HDL at the
+Decode Phase, attempting to discern between the two types.  Worse than that,
+if the alternate 64-bit instruction is Vectoriseable but the 32-bit Scalar
+"Defined Word" is already allocated, how can there ever be a Scalar version
+of the alternate instruction? It would have to be added as a **completely
+different** 32-bit "Defined Word", and things go rapidly downhill in the
+Decoder as well as the ISA from there.
+
+Therefore to avoid risk and long-term damage to the Power ISA:
+
+* *even Unvectoriseable* "Defined Words" (`mtmsr`) must have the
+  corresponding SVP64 Prefixed Space `RESERVED`, permanently requiring
+  Illegal Instruction to be raised (the 64-bit encoding corresponding
+  to an illegal `sv.mtmsr` if ever incorrectly attempted must be
+  **defined** to raise an Exception)
+* *Even instructions that may not be Scalar* (although for various
+  practical reasons this is extremely rare if not impossible,
+  if not just generally "strongly discouraged")
+  which have no meaning or use as a 32-bit Scalar "Defined Word", **must**
+  still have the Scalar "Defined Word" `RESERVED` in the scalar
+  opcode space, as an Illegal Instruction.
+
+A good example of the former is `mtmsr` because there is only one
+MSR register (`sv.mtmsr` is meaningless, as is `sv.sc`),
+and a good example of the latter is [[sv/mv.x]]
+which is so deeply problematic to add to any Scalar ISA that it was
+rejected outright and an alternative route taken (Indexed REMAP).
+
+Another good example would be Cross Product which has no meaning
+at all in a Scalar ISA (Cross Product as a concept only applies
+to Mathematical Vectors). If any such Vector operation were ever added,
+it would be **critically** important to reserve the exact same *Scalar*
+opcode with the exact same "Defined Word" in the *Scalar* Power ISA
+opcode space, as an Illegal Instruction.  There are
+good reasons why Cross Product has not been proposed, but it serves
+to illustrate the point as far as Architectural Resource Allocation is
+concerned.
+
+Bottom line is that whilst this seems wasteful the alternatives are a
+destabilisation of the Power ISA and impractically-complex Hardware
+Decoders. With the Scalar Power ISA (v3.0, v3.1) already being comprehensive
+in the number of instructions, keeping further Decode complexity down is a 
+high priority.
+
 # Other Scalable Vector ISAs
 
 These Scalable Vector ISAs are listed to aid in understanding and
@@ -202,19 +369,20 @@ Vector ISAs may be found at the [[sv/vector_isa_comparison]] page.
 Note: AVX-512 and SVE2 are *not Vector ISAs*, they are Predicated-SIMD.
 *Public discussions have taken place at Conferences attended by both Intel
 and ARM on adding a `setvl` instruction which would easily make both
-AVX-512 and SVE2 truly "Scalable".*
+AVX-512 and SVE2 truly "Scalable".*  [[sv/comparison_table]] in tabular
+form.
 
-# Major opcodes summary
+# Major opcodes summary <a name="major_op_summary"> </a>
 
-Simple-V itself only requires five instructions with 6-bit Minor XO
+Simple-V itself only requires six instructions with 6-bit Minor XO
 (bits 26-31), and the SVP64 Prefix Encoding requires
 25% space of the EXT001 Major Opcode.
 There are **no** Vector Instructions and consequently **no further
 opcode space is required**.  Even though they are currently
 placed in the EXT022 Sandbox, the "Management" instructions
 (setvl, svstep, svremap, svshape, svindex) are designed to fit
-cleanly into EXT019 (like `addpcis`) or other 5/6-bit Minor
-XO area that has space for Rc=1.
+cleanly into EXT019 (exactly like `addpcis`) or other 5/6-bit Minor
+XO area (bits 25-31) that has space for Rc=1.
 
 That said: for the target workloads for which Scalable Vectors are typically
 used, the Scalar ISA on which those workloads critically rely
@@ -228,8 +396,8 @@ Please be advised that even though SV is entirely DRAFT status, there
 is considerable concern that because there is not yet any two-way
 day-to-day communication established with the OPF ISA WG, we have
 no idea if any of these are conflicting with future plans by any OPF
-Members.  **The External ISA WG RFC Process is yet to be ratified
-and Libre-SOC may not join the OPF as an entity because it does
+Members.  **The External ISA WG RFC Process has now been ratified
+but Libre-SOC may not join the OPF as an entity because it does
 not exist except in name. Even if it existed it would be a conflict
 of interest to join the OPF, due to our funding remit from NLnet**.
 We therefore proceed on the basis of making public the intention to
@@ -275,21 +443,12 @@ would become a whopping 96-bit long instruction. Avoiding this
 situation is a high priority which in turn by necessity puts pressure
 on the 32-bit Major Opcode space.
 
-SVP64 itself is already under pressure, being only 24 bits.  If it is
-not permitted to take up 25% of EXT001 then it would have to be proposed
-in its own Major Opcode, which on first consideration would be beneficial
-for SVP64 due to the availability of 2 extra bits.
-However when combined with the bitmanip scalar instructions
-requiring two Major opcodes this would come to a grand total of 3 precious
-Major opcodes. On balance, then, sacrificing 25% of EXT001 is the "least
-difficult" choice.
-
 Note also that EXT022, the Official Architectural Sandbox area
 available for "Custom non-approved purposes" according to the Power
 ISA Spec,
 is under severe design pressure as it is insufficient to hold
 the full extent of the instruction additions required to create
-a Hybrid 3D CPU-VPU-GPU.  Akthough the wording of the Power ISA
+a Hybrid 3D CPU-VPU-GPU.  Although the wording of the Power ISA
 Specification leaves open the *possibility* of not needing to
 propose ISA Extensions to the ISA WG, it is clear that EXT022
 is an inappropriate location for a large high-profile Extension
@@ -297,7 +456,7 @@ intended for mass-volume product deployment. Every in-good-faith effort will
 therefore be made to work with the OPF ISA WG to
 submit SVP64 via the External RFC Process.
 
-**Whilst SVP64 is only 5 instructions
+**Whilst SVP64 is only 6 instructions
 the heavy focus on VSX for the past 12 years has left the SFFS Level
 anaemic and out-of-date compared to ARM and x86.**
 This is very much
@@ -310,6 +469,8 @@ up-to-date. None of them require or depend on PackedSIMD VSX (or VMX).
 
 Examples experiments future ideas discussion:
 
+* [Scalar register access](https://bugs.libre-soc.org/show_bug.cgi?id=905)
+  above r31 and CR7.
 * [[sv/propagation]] Context propagation including svp64, swizzle and remap
 * [[sv/masked_vector_chaining]]
 * [[sv/discussion]]
@@ -327,6 +488,7 @@ Additional links:
 * <https://www.sigarch.org/simd-instructions-considered-harmful/>
 * [[sv/vector_isa_comparison]] - a list of Packed SIMD, GPU,
   and other Scalable Vector ISAs
+* [[sv/comparison_table]] - a one-off (experimental) table comparing ISAs
 * [[simple_v_extension]] old (deprecated) version
 * [[openpower/sv/llvm]]