macOS (Mチップ) 環境でRISC-Vのベクトル拡張を使用してIntel SIMDコードを実行する

## macOS (Mチップ) 環境でRISC-Vのベクトル拡張を使用してIntel SIMDコードを実行する

### はじめに

この記事では、macOS (Mチップ) 環境でRISC-Vのベクトル拡張機能を使用して、IntelのSIMDコードを実行する方法を説明します。具体的には、RISC-Vシミュレータ(spike)とプロキシカーネル(pk)を使用して、ベクトル拡張機能をエミュレートします。また、clangでのベクトル最適化、IntelとRISC-Vのアセンブラ出力、そして処理結果の一致を確認します。さらに、Rosetta 2を使用してIntel向けのx86_64バイナリをmacOS (Mチップ) 上で実行する方法についても説明します。

### 目次

1. 環境設定
2. SpikeとPKのインストール
3. Clangでのコンパイルとベクトル最適化
4. アセンブラ出力と処理結果の一致確認
5. コード例
6. Rosetta 2の使用方法
7. アセンブラ出力と実行結果

---

### 1. 環境設定

まず、macOSで必要なツールをインストールします。Homebrewを使用して依存関係をインストールします。

```sh
# Homebrewのインストール
/bin/bash -c "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/HEAD/install.sh)"

# 必要なツールのインストール
brew install riscv-gnu-toolchain
brew install spike
brew install pk
brew install llvm
```

### 2. SpikeとPKのインストール

次に、RISC-Vシミュレータ(spike)とプロキシカーネル(pk)をインストールします。

```sh
# Spikeのインストール
git clone https://github.com/riscv/riscv-isa-sim.git
cd riscv-isa-sim
mkdir build
cd build
../configure --prefix=/usr/local
make
make install

# PKのインストール
git clone https://github.com/riscv/riscv-pk.git
cd riscv-pk
mkdir build
cd build
../configure --prefix=/usr/local --host=riscv64-unknown-elf
make
make install
```

### 3. Clangでのコンパイルとベクトル最適化

次に、clangを使用してコードをコンパイルします。ベクトル最適化を有効にするために、適切なフラグを設定します。

```sh
# ベクトル拡張を有効にしてClangでコンパイル
clang -target riscv64 -march=rv64gcv -mabi=lp64d -O3 -S -emit-llvm your_code.c -o your_code.ll
clang -target riscv64 -march=rv64gcv -mabi=lp64d -O3 your_code.ll -o your_code

# Intel向けのコンパイル（Rosetta 2が必要）
clang -target x86_64-apple-darwin -mavx -O3 -S your_code.c -o your_code_intel.s
clang -target x86_64-apple-darwin -mavx -O3 your_code.c -o your_code_intel
```

### 4. アセンブラ出力と処理結果の一致確認

コンパイル後に、IntelとRISC-Vのアセンブラ出力を確認し、処理結果が一致することを確認します。

```sh
# アセンブラ出力の生成
clang -target x86_64-apple-darwin -mavx -O3 -S your_code.c -o your_code_intel.s
clang -target riscv64 -march=rv64gcv -mabi=lp64d -O3 -S your_code.c -o your_code_riscv.s

# Spikeで実行して結果を確認
spike pk your_code

# Intelで実行して結果を確認（Rosetta 2を使用）
./your_code_intel
```

### 5. コード例

以下に、IntelとRISC-Vのコードを統一する例を示します。

```c
#include <stdio.h>

#ifdef __AVX__
#include <immintrin.h>
#else
#include <riscv_vector.h>

// Define __m256 and corresponding functions for RISC-V
typedef vfloat32m1_t __m256;

static inline __m256 _mm256_loadu_ps(const float *p) {
    return vle32_v_f32m1(p, 8);
}

static inline void _mm256_storeu_ps(float *p, __m256 a) {
    vse32_v_f32m1(p, a, 8);
}

static inline __m256 _mm256_add_ps(__m256 a, __m256 b) {
    return vadd_vv_f32m1(a, b, 8);
}

#endif

int main() {
    // Example data
    float data1[8] = {1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0};
    float data2[8] = {1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0};

    // Load data into vectors
    __m256 vec1 = _mm256_loadu_ps(data1);
    __m256 vec2 = _mm256_loadu_ps(data2);

    // Perform the addition
    __m256 result = _mm256_add_ps(vec1, vec2);

    // Store the result back to an array
    float result_data[8];
    _mm256_storeu_ps(result_data, result);

    // Print the results
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        printf("result_data[%d] = %f\n", i, result_data[i]);
    }

    return 0;
}
```

### 6. Rosetta 2の使用方法

Rosetta 2は、macOSのM1チップ上でx86_64バイナリを実行するために必要です。Rosetta 2のインストールと使用方法は以下の通りです。

#### Rosetta 2のインストール

```sh
# Rosetta 2をインストール（必要に応じて）
/usr/sbin/softwareupdate --install-rosetta --agree-to-license
```

#### Rosetta 2を使用したIntelバイナリの実行

コンパイルしたIntelバイナリをRosetta 2を介して実行します。

```sh
# Rosetta 2を使用してIntelバイナリを実行
arch -x86_64 ./your_code_intel
```

### 7. アセンブラ出力と実行結果

#### Intelのアセンブラ出力

以下は、IntelのAVX命令セットを使用してコンパイルされたアセンブラ出力の例です。

```asm
# your_code_intel.s
...
vmovaps (%rdi), %ymm0
vmovaps (%rsi), %ymm1
vaddps  %ymm1, %ymm0, %ymm0
vmovaps %ymm0, (%rdx)
...
```

#### RISC-Vのアセンブラ出力

以下は、RISC-Vのベクトル拡張機能を使用してコンパイルされたアセンブラ出力の例です。

```asm
# your_code_riscv.s
...
vle32.v v0, (a0)
vle32.v v1, (a1)
vadd.vv v0, v0, v1
vse32.v v0, (a2)
...
```

#### 実行結果

Intel環境での実行結果（Rosetta 2を使用）:

```sh
result_data[0] = 2.000000
result_data[1] = 4.000000
result_data[2] = 6.000000
result_data[3] = 8.000000
result_data[4] = 10.000000
result_data[5] = 12.000000
result_data[6] = 14.000000
result_data[7] = 16.000000
```

RISC-V環境での実行結果:

```sh
result_data[0] = 2.000000
result_data[1] = 4.000000
result_data[2] = 6.000000
result_data[3] = 8.000000
result_data[4] = 10.000000
result_data[5] = 12.000000
result_data[6] = 14.000000
result_data[7] = 16.000000
```

### まとめ

この手順を通じて、macOS (Mチップ) 環境でRISC-Vのベクトル拡張機能を使用してIntelのSIMDコードを実行する方法を示しました。適切なツールのインストール、コードのコンパイル、アセンブラ出力の確認、そして処理結果の一致を確認しました。また、Rosetta 2を使用してIntel向けのx86_64バイナリをmacOS (Mチップ) 上で実行する方法も説明しました。