この記事はBuilding Red Hat Enterprise Linux 9 for the x86-64-v2 microarchitecture level | Red Hat Developer の翻訳です。 Red Hat Enterprise Linux 9 はこの記事で紹介されている x86-64-v2 アーキテクチャむけにビルドされています。
Linuxディストリビューションを構築する際、初期に決定する最も重要なことの1つが、サポートするハードウェアの範囲です。ディストリビューションのデフォルトのコンパイラ・フラグは、ハードウェア・プラットフォームの互換性にとって重要です。新しいCPU命令を使用するプログラムは、古いCPUでは動作しないかもしれません。この記事では、Red Hat Enterprise Linux (RHEL) 9のx86-64バージョンをビルドするための新しいアプローチについて説明し、そのビルドに関するRed Hatの推奨事項を共有します。
x86-64マイクロアーキテクチャレベルの背景
GNU Cライブラリ(glibc)は、すべてのシステムに存在するとは限らない追加のハードウェア機能を使用する最適化されたライブラリをロードする方法を提供しています。元々、このメカニズムは、通常 /usr/lib64ディレクトリにインストールされるデフォルト(フォールバック)実装に加え、おそらく1つか2つの代替ライブラリ実装をサポートするように設計されています。しかし、ライブラリ検索機構によるパワーセット構築は、CPUのオプション機能が数多く存在する現在のプラットフォームにはうまくマッチしません。特にx86アーキテクチャでは、長年にわたって多くのオプション機能が追加されています (一覧はCPUID命令のWikipediaの記事を参照してください)。このような選択肢の多さは、ダイナミックリンカーだけでなく、プログラマーにとっても問題です。最近まで、最適化されたライブラリでどのようなCPUの機能を想定すべきか、ほとんど指針がありませんでした。GCCとglibcは機能セットの定義について意見が分かれており、glibcの選択機構はベンダーごとに異なっています。
2020年夏、AMD、Intel、Red Hat、SUSEは共同で、x86-64ベースラインの上に3つのx86-64マイクロアーキテクチャのレベルを定義しました。3つのマイクロアーキテクチャは、ハードウェアのリリース日に基づいて、CPUの機能を大まかにまとめています。
- x86-64-v2では、Streaming SIMD Extensions 4.2(SSE4.2)およびSupplemental Streaming SIMD Extensions 3 (SSSE3) までのベクトル命令、POPCNT命令 (データ解析や一部のデータ構造でのビット操作に有用)、CMPXCHG16B (並列アルゴリズムに有用な2ワードの比較およびスワップ命令) などがサポートされています。
- x86-64-v3は、AVX2までのベクトル命令、MOVBE(ビッグエンディアン・データ・アクセス用)、および追加のビット操作命令を追加しました。
- x86-64-v4では、AVX-512の一部のバリエーションからベクタ命令が追加されました。
x86-64のpsABIの補足で、3つのレベルの詳細を文書化しました。今後リリースされるGCCバージョン11とLLVMバージョン12では、 -march= 引数でこれらをサポートする予定です。 (パワーセット構築ではない)新しいメカニズムでglibcダイナミックローダを拡張するパッチがglibc-hwcapsの名前でglibcに組み込まれました。これらの変更はglibcの次期2.33リリースの一部となる予定です。
RHEL 9のアーキテクチャに関する考慮点
これまで、x86_64 Red Hat Enterprise Linuxのユーザースペースは、AMD K8ベースラインからAMD固有の3Dnow! を除いたものでした。この決定は、最新バージョンの Red Hat Enterprise Linux 8 まで維持されています。しかし、カーネルドライバが削除されたため、古いハードウェア (第一世代のOpteron CPUを搭載したシステムなど) ではRed Hat Enterprise Linuxを有用な形で実行できません。また、古いハードウェアを実行する場合、大きな電力を必要とします。
今までにも、IFUNC、関数のマルチバージョン化、dlopenによる代替実装のロードなどのメカニズムによって、新しいCPU機能を利用できましたが、これは現在進行中のglibc-hwcaps作業で自動化できる可能性があります。これらのアプローチはそれぞれ、特に指定されたコードのブロックにのみ適用されます。ディストリビューションの残りの部分はまだ追加のCPU機能を採用していないため、CPUのこれらの部分は本質的に休止状態になっています。
x86-64マイクロアーキテクチャレベルを定義することの歓迎すべき副次的効果として、Linuxディストリビューションのアーキテクチャのベースラインを議論するための便利な言語を手に入れました。このままオリジナルのK8ベースラインを使うことも、後の3つのレベルのうち1つを適用することもできます。
RHEL 9での推奨
Red Hat Enterprise Linux 9では、x86-64-v2が適切な選択であると考えます。 この推奨は、以下の見解に基づいています。
- ホストがサポートしているにもかかわらず、x86-64-v2 CPU機能を人為的にマスクする仮想マシンモデルは、比較的簡単に調整できます。
- 次のレベルであるx86-64-v3は、x86-64アーキテクチャ用に1つの統一ディストリビューションを構築する予定であるため、使用できない。
- 2020年発売の新サーバークラスCPUは、AVX命令セットを実装していません。
- AVX命令も一部のソフトウェア実装では利用できません(
valgrindツールはサポートしていますが)。エミュレーションのサポートがないため、Red Hat Enterprise Linux 9をターゲットとする開発者が制約を受ける可能性があります。
以前のRed Hat Enterprise Linuxバージョンと同様に、IFUNCと関数のマルチバージョン化によって (x86-64-v2以外の) 他のCPU機能を引き続きサポートする予定です。また、最適化されたバージョンのライブラリをロードするためにglibc-hwcapsメカニズムを使用する可能性もあります。通常通り、これらの計画はRed Hat Enterprise Linux 9のリリース前に随時変更される可能性があります。
現在のところ、Fedora ELN以外のFedoraにはこの変更は適用されません。(訳注: 記事執筆時点である2021年1月の状況です。)
他のアーキテクチャのサポート
ハードウェアパートナーとともに、Red Hatはすべてのアーキテクチャのベースラインを定期的に見直しています。IBM POWERとIBM Zについては、歴史的にメジャーリリースごとにベースラインを更新してきました。例えば、Red Hat Enterprise Linux 8にはPOWERリトルエンディアン (ppc64le) と、s390xアーキテクチャではz13以降のCPUが必要です。
まとめ
この記事では、Red Hat Enterprise Linux 9のx86-64マイクロアーキテクチャレベルを選択するRed Hatのアプローチを導く基準について説明しました。 推奨するx86-64-v2は、追加のベクトル命令 (SSE4.2およびSSSE 3まで)、データ分析用のPOPCNT命令、並列処理アルゴリズム用のCMPXCHG16B命令をサポートします。
最終更新日2021年1月29日
