Go 1.26/1.27 SIM API: 単命令複数データ (SIMD) 操作の実験的 API

Go 1.26 および Go 1.27 では、単命令複数データ（SIMD）操作向けの実験的な APIが導入されました。現代の CPU に標準装備された SIMD機能を活用することで、暗号処理やデータ処理、AI など多数の計算負荷の高いタスクが大幅に高速化されます。

背景と動機

従来の課題

• 手動のアセンブリ記述: SIMD 機能へのアクセスは以前はGo アセンブリの手書きのみでした。
• リソースの非効率: パフォーマンスクリティカルな計算カーネル以外では、CPU の一部が未使用のままとなっていました。

アーキテクチャ間の多様な差異

SIMD はプラットフォーム間で以下の点で大きな差異があります：

• ベクトルサイズ:
  • 固定サイズのみ（wasm, PowerPC, s390x: 128 ビット）。
  • 複数の固定サイズ（amd64: 128/256/512 ビット）。
  • 未指定サイズ（Riscv64: 128〜65536 ビット、2 のべき乗のみ）。
  • 固定・可変の併存（arm64: NEON 固定 128 ビット / SVE 可変 128〜2048 ビット）。
• マスク処理:
  • マスクなし（wasm, AVX, NEON など）。
  • 特殊なマスクレジスタ（AVX512, RVV）。
  • SVE や AVX2 のようなベクトルベースのマスク制御。
• 演算サポート: リバールや暗号関連操作、比較演算など、アーキテクチャごとに指令が異なります。

これに対応するため、

archsimd

simd

パッケージの概要

新しい

simd

1. 汎用性: 特定のベクトルサイズに依存せず、多くのベクトル化実装に利益をもたらす。
2. 高効率性: ハードウェアと一致する場合はアセンブリ言語と同程度の効率。
3. 互換性: サポートされていない機能については効率的なエミュレーションを提供。
4. 可読性: LLM や人間がコードを書く際にも読みやすい設計。

使用条件:

• archsimd

  を使えないプラットフォームや、機能不足の場合は全演算がエミュレートされます。
• ビルド時に以下を設定して実験的に利用します：

  GOEXPERIMENT=simd
  

型と基本用法

デフォルトの API（共通部分）

simd

simd.Uint8s

simd.Float32s

// innerProduct は x と y の内積を返します。
func innerProduct(x, y []float32) float32 {
    var a simd.Float32s
    var i int
    // 要素単位ではなくブロック単位で処理
    for i = 0; i < len(x)-a.Len()+1; i += a.Len() {
        u := simd.LoadFloat32s(x[i : i+a.Len()])
        v := simd.LoadFloat32s(y[i : i+a.Len()])
        a = u.MulAdd(v, a)
    }
    // 残りの要素を処理（部分ロードが必要）
    if i < len(x) {
        u, _ := simd.LoadFloat32sPart(x[i:])
        v, _ := simd.LoadFloat32sPart(y[i:])
        a = u.MulAdd(v, a)
    }
    return sum(a)
}

// sum は x の要素のスカラー合計を返します。
func sum(x simd.Float32s) float32 {
    s := make([]float32, x.Len())
    x.Store(s) // スカラーへ展開して合計
    var r float32
    for _, e := range s {
        r += e
    }
    return r
}

注意:

sum

は現在の

simd

パッケージではサポートされていませんが、次期リリースで

ReduceSum

が追加される予定です。

マスクによるフィルタリング

SIMD 比較は対応するベクトル要素幅に固有のマスク値を生成します（例：

Int8s

Mask8s

Go 1.27 時点のサポートされている操作

Go 1.27 でサポートされる主な操作カテゴリです。（Y: サポートあり、空: サポートなし）

パッケージレベルのロード／ブロードキャスト

LoadV([]E) V

LoadVPart([]E) (V, int)

BroadcastV(E) V

ストア／文字列化

Store(s []E)

StorePart(s []E) int

String() string

主要な算術・論理演算

• 基本演算:

  Add

  ,

  Sub

  ,

  Mul

  ,

  Div

  ,

  Neg

  など（全型対応）。
• 比較演算:

  Equal

  ,

  Greater

  ,

  Less

  などはすべてマスク値を返します。
• ビット操作:

  And

  ,

  Or

  ,

  Xor

  ,

  Not

  など。
• 特殊機能:

  Abs

  (符号なし整数のみ),

  Sqrt

  (浮動小数点のみ),

  IfElse

  （条件分岐）。

(※詳細な演算子対応表は元のドキュメントを参照してください。一部の型（例：

Int64s

プラットフォーム固有コードとの移行

simd

archsimd

型変換パターン

• プラットフォーム特定型へ:

  v.ToArch()

  を使用して、プラットフォーム固有のベクトル型を取得します。
• 共通型へ:

  simd.<SimdType>FromArch()

  を使用して、プラットフォーム固有型を共通型に戻します。

実装例：

OnesCount

メソッドの実装

各プラットフォームで異なる指令（またはエミュレーション）を使用して、1 ビットの数をカウントする機能を実装します。

1. amd64 (AVX512 サポートあり)

高性能な命令列を使用します。

//go:build goexperiment.simd && amd64
package simd_test
import (
    "simd"
    "simd/archsimd"
)

func OnesCount(v simd.Int8s) simd.Int8s {
    switch x := v.ToArch().(type) {
    case archsimd.Int8x16:
        lut := archsimd.LoadInt8x16Array(&popcnt4x16)
        mask0f := archsimd.BroadcastInt8x16(0x0f)
        // ... (詳細な命令列処理)
        return simd.Int8sFromArch(...)
    case archsimd.Int8x32:
        lut := archsimd.LoadInt8x32Array(&popcnt4x32)
        // ...
        return simd.Int8sFromArch(...)
    case archsimd.Int8x64:
        return simd.Int8sFromArch(x.OnesCount())
    default:
        // Fallback
        return OnesCountEmulated(v)
    }
}

2. NEON / Wasm (一部機能のみサポート)

完全な AVX512 命令がない場合、簡易的な実装またはエミュレーションを行います。

//go:build goexperiment.simd && (wasm || arm64)
func OnesCount(v simd.Int8s) simd.Int8s {
    switch x := v.ToArch().(type) {
    case archsimd.Int8x16:
        return simd.Int8sFromArch(x.OnesCount())
    default:
        // Fallback to emulation if specific instruction unavailable
        return OnesCountEmulated(v)
    }
}

3. エミュレーション共通実装 (

OnesCountEmulated

)

プラットフォーム固有の命令がない場合に使用する高速なエミュレーションロジックです。

func OnesCountEmulated(v simd.Int8s) simd.Int8s {
    a := [2]uint64{}
    v.ToBits().ReshapeToUint64s().Store(a[:])
    a0, a1 := a[0], a[1]
    
    m1 := uint64(0x5555555555555555)
    m2 := uint64(0x3333333333333333)
    m4 := uint64(0x0f0f0f0f0f0f0f0f)

    // 高速なポップカウント演算（SIMD 命令なしでも効率的）
    a0 = (a0 & m1) + ((a0 >> 1) & m1)
    a1 = (a1 & m1) + ((a1 >> 1) & m1)
    a0 = (a0 & m2) + ((a0 >> 2) & m2)
    a1 = (a1 & m2) + ((a1 >> 2) & m2)
    a0 = (a0 & m4) + ((a0 >> 4) & m4)
    a1 = (a1 & m4) + ((a1 >> 4) & m4)

    return simd.LoadUint64s(a[:]).ReshapeToUint8s().BitsToInt8()
}

API の交差点と GODEBUG 設定

simd

GODEBUG による動作制御

ビルド時に

GOEXPERIMENT=simd

GODEBUG

• GODEBUG=simd=0

  : 常にエミュレーションを実行（ハードウェア無視）。

• GODEBUG=simd=128

  : 128 ビットベクトルを使用。機能不足時は即座にパニック。

• GODEBUG=simd=+128

  : 128 ビットベクトルを使用。一部の機能が利用できない場合でも実行を継続（未サポート指令の使用時のみパニック）。

これにより、Raspberry Pi (NEON あり / PMULL なし) や Apple Silicon エミュレーションなど、環境依存の制限をコードから切り離すことができます。

実装詳細と AST リライト

• simd

  はパッケージと実装パッケージ（コンパイラーフロントエンドで AST を再編成）を兼ねています。
• 関数呼び出し時に、

  simd.Float32s

  を参照するコードはサイズ特化した型（例：

  @simd128

  ,

  @simd512

  ）へ自動的に置き換わります。
• この仕組みにより、プログラマーはハードウェアの差異を意識せずに汎用コードを記述できますが、内部では適切な指令が選択されます。

今後の予定

• Go 1.28:

  archsimd

  への SVE サポート追加および

  simd

  パッケージへの対応。
• 機能拡張:

  OnesCount

  , マスク演算の強化、還元演算（Reduce）など、さらに多くの SIMD 演算をサポートする予定です。
• 堅牢性の向上: ハードウェアベクトル実装を持つが一部操作を欠くプラットフォームでも、完全エミュレーションにダウングレードせずに動作可能な「機能バリエーション」の実装。