XNOR-net on CPU AVX2

AlexeyAB

2018-08-07 0a326e7afe3e690c0b4cb64bbd0ce4f0603a7d85

 src/gemm.c

@@ -71,6 +71,234 @@
    gemm_cpu( TA,  TB,  M, N, K, ALPHA,A,lda, B, ldb,BETA,C,ldc);
}


//--------------------------------------------
// XNOR bitwise GEMM for binary neural network
//--------------------------------------------

#include <stdint.h>

static inline unsigned char xnor(unsigned char a, unsigned char b) {
    //return a == b;
    return !(a^b);
}

// INT-32
static inline uint32_t get_bit_int32(uint32_t const*const src, size_t index) {
    size_t src_i = index / 32;
    int src_shift = index % 32;
    unsigned char val = (src[src_i] & (1 << src_shift)) > 0;
    return val;
}

static inline uint32_t xnor_int32(uint32_t a, uint32_t b) {
    return ~(a^b);
}

static inline uint64_t xnor_int64(uint64_t a, uint64_t b) {
    return ~(a^b);
}


static inline uint32_t fill_bit_int32(char src) {
    if (src == 0) return 0x00000000;
    else return  0xFFFFFFFF;
}

static inline uint64_t fill_bit_int64(char src) {
    if (src == 0) return 0x0000000000000000;
    else return  0xFFFFFFFFFFFFFFFF;
}

void binary_int32_printf(uint32_t src) {
    int i;
    for (i = 0; i < 32; ++i) {
        if (src & 1) printf("1");
        else printf("0");
        src = src >> 1;
    }
    printf("\n");
}

void binary_int64_printf(uint64_t src) {
    int i;
    for (i = 0; i < 64; ++i) {
        if (src & 1) printf("1");
        else printf("0");
        src = src >> 1;
    }
    printf("\n");
}

/*
void gemm_nn_custom_bin_mean(int M, int N, int K, float ALPHA_UNUSED,
    unsigned char *A, int lda,
    unsigned char *B, int ldb,
    float *C, int ldc, float *mean_arr)
{
    int *count_arr = calloc(M*N, sizeof(int));

    int i, j, k;
    for (i = 0; i < M; ++i) {   // l.n - filters [16 - 55 - 1024]
        for (k = 0; k < K; ++k) {   // l.size*l.size*l.c - one filter size [27 - 9216]
            char a_bit = get_bit(A, i*lda + k);

            for (j = 0; j < N; ++j) { // out_h*out_w - one channel output size [169 - 173056]
                char b_bit = get_bit(B, k*ldb + j);
                count_arr[i*ldc + j] += xnor(a_bit, b_bit);
            }
        }
    }

    for (i = 0; i < M; ++i) {
        float mean_val = mean_arr[i];
        for (j = 0; j < N; ++j) {
            C[i*ldc + j] = (2 * count_arr[i*ldc + j] - K) * mean_val;
        }
    }
    free(count_arr);
}
*/

/*
void gemm_nn_custom_bin_mean_transposed(int M, int N, int K, float ALPHA_UNUSED,
    unsigned char *A, int lda,
    unsigned char *B, int ldb,
    float *C, int ldc, float *mean_arr)
{
    int *count_arr = calloc(M*N, sizeof(int));

    int i, j, k;
    for (i = 0; i < M; ++i) {   // l.n - filters [16 - 55 - 1024]
        for (j = 0; j < N; ++j) { // out_h*out_w - one channel output size [169 - 173056]
            for (k = 0; k < K; ++k) {   // l.size*l.size*l.c - one filter size [27 - 9216]
                char a_bit = get_bit(A, i*lda + k);
                char b_bit = get_bit(B, j*ldb + k);
                count_arr[i*ldc + j] += xnor(a_bit, b_bit);
            }
        }
    }

    for (i = 0; i < M; ++i) {
        float mean_val = mean_arr[i];
        for (j = 0; j < N; ++j) {
            C[i*ldc + j] = (2 * count_arr[i*ldc + j] - K) * mean_val;
        }
    }
    free(count_arr);
}
*/

/*
void gemm_nn_custom_bin_mean(int M, int N, int K, float ALPHA_UNUSED,
    unsigned char *A, int lda,
    unsigned char *B, int ldb,
    float *C, int ldc, float *mean_arr)
{
    int *count_arr = calloc(M*N, sizeof(int));

    int i, j, k, h;

#pragma omp parallel for
    for (i = 0; i < M; ++i) {   // l.n - filters [16 - 55 - 1024]
        for (k = 0; k < K; ++k) {   // l.size*l.size*l.c - one filter size [27 - 9216]
            const char a_bit = get_bit(A, i*lda + k);
            uint64_t a_bit64 = fill_bit_int64(a_bit);
            int  k_ldb = k*ldb;

            for (j = 0; j < N; j += 64) { // out_h*out_w - one channel output size [169 - 173056]
                if ((N - j > 64) && (k_ldb % 8 == 0)) {
                    uint64_t b_bit64 = *((uint64_t *)(B + (k_ldb + j) / 8));
                    uint64_t c_bit64 = xnor_int64(a_bit64, b_bit64);
                    //printf("\n %d \n",__builtin_popcountll(c_bit64)); // gcc
                    printf("\n %d \n", __popcnt64(c_bit64));    // msvs

                    int h;
                    for (h = 0; h < 64; ++h)
                        if ((c_bit64 >> h) & 1) count_arr[i*ldc + j + h] += 1;

                    //binary_int64_printf(a_bit64);
                    //binary_int64_printf(b_bit64);
                    //binary_int64_printf(c_bit64);
                }
                else {
                    for (; j < N; ++j) { // out_h*out_w - one channel output size [169 - 173056]
                        char b_bit = get_bit(B, k_ldb + j);
                        if (xnor(a_bit, b_bit)) count_arr[i*ldc + j] += 1;
                    }
                }

            }
        }
    }

    if (mean_arr) {
        //int K_2 = K / 2;
        for (i = 0; i < M; ++i) {
            float mean_val = mean_arr[i];
            //float mean_val2 = 2 * mean_val;
            for (j = 0; j < N; ++j) {
                C[i*ldc + j] = (2 * count_arr[i*ldc + j] - K) * mean_val;
                //C[i*ldc + j] = (count_arr[i*ldc + j] - K_2) *mean_val2;
            }
        }
    }
    else {
        for (i = 0; i < M; ++i) {
            for (j = 0; j < N; ++j) {
                C[i*ldc + j] = count_arr[i*ldc + j] - K / 2;
            }
        }
    }

    free(count_arr);

    //getchar();
}
*/


/*
void gemm_nn_custom_bin_mean_transposed(int M, int N, int K, float ALPHA_UNUSED,
    unsigned char *A, int lda,
    unsigned char *B, int ldb,
    float *C, int ldc, float *mean_arr)
{
    int i, j, k, h;

#pragma omp parallel for
    for (i = 0; i < M; ++i) {   // l.n - filters [16 - 55 - 1024]
        float mean_val = mean_arr[i];

        for (j = 0; j < N; ++j) { // out_h*out_w - one channel output size [169 - 173056]
            int count = 0;

            for (k = 0; k < K; k += 64) {   // l.size*l.size*l.c - one filter size [27 - 9216]
                uint64_t a_bit64 = *((uint64_t *)(A + (i*lda + k) / 8));
                uint64_t b_bit64 = *((uint64_t *)(B + (j*ldb + k) / 8));
                uint64_t c_bit64 = xnor_int64(a_bit64, b_bit64);

#ifdef WIN32
                int tmp_count = __popcnt64(c_bit64);
#else
                int tmp_count = __builtin_popcountll(c_bit64);
#endif

                if (K - k < 64)  tmp_count = tmp_count - (64 - (K - k));    // remove extra bits
                count += tmp_count;
                //binary_int64_printf(c_bit64);
                //printf(", count = %d \n\n", tmp_count);
            }

            C[i*ldc + j] = (2 * count - K) * mean_val;
        }
    }
}
*/

//----------------------------


#if (defined(__AVX__) && defined(__x86_64__)) || defined(_WIN64)

#define OSXSAVEFlag (1UL<<27)
@@ -79,8 +307,6 @@
#define CLMULFlag   ((1UL<< 1)|AVXFlag|OSXSAVEFlag)
#define VAESFlag    ((1UL<<25)|AVXFlag|OSXSAVEFlag)

#include <stdint.h>

#ifdef _WIN64
#include <intrin.h>
#include <ammintrin.h>
@@ -196,6 +422,97 @@
        }
    }
}


// http://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html
// https://stackoverflow.com/questions/17354971/fast-counting-the-number-of-set-bits-in-m128i-register

// 2 x faster than popcnt: https://arxiv.org/pdf/1611.07612.pdf

static inline int popcnt128(__m128i n) {
    const __m128i n_hi = _mm_unpackhi_epi64(n, n);
#ifdef _MSC_VER
    return __popcnt64(_mm_cvtsi128_si64(n)) + __popcnt64(_mm_cvtsi128_si64(n_hi));
#else
    return __popcntq(_mm_cvtsi128_si64(n)) + __popcntq(_mm_cvtsi128_si64(n_hi));
#endif
}

static inline int popcnt256(__m256i n) {
    return popcnt128(_mm256_extractf128_si256(n, 0)) + popcnt128(_mm256_extractf128_si256(n, 1));
}

void gemm_nn_custom_bin_mean_transposed(int M, int N, int K, float ALPHA_UNUSED,
    unsigned char *A, int lda,
    unsigned char *B, int ldb,
    float *C, int ldc, float *mean_arr)
{
    __m256i all_1 = _mm256_set1_epi8(255);
    int i, j, k, h;

    #pragma omp parallel for
    for (i = 0; i < M; ++i) {   // l.n - filters [16 - 55 - 1024]
        float mean_val = mean_arr[i];

        for (j = 0; j < N; ++j) { // out_h*out_w - one channel output size [169 - 173056]
            int count = 0;
            const int bit_step = 256;

            for (k = 0; k < K; k += bit_step) {   // l.size*l.size*l.c - one filter size [27 - 9216]

                //__m128i a_bit128 = _mm_loadu_si128((__m128i *)(A + (i*lda + k) / 8));
                //__m128i b_bit128 = _mm_loadu_si128((__m128i *)(B + (j*ldb + k) / 8));
                //__m128i xor128 = _mm_xor_si128(a_bit128, b_bit128);
                //__m128i c_bit128 = _mm_andnot_si128(xor128, all_1);
                //int tmp_count = popcnt128(c_bit128);

                __m256i a_bit256 = _mm256_loadu_si256((__m256i *)(A + (i*lda + k) / 8));
                __m256i b_bit256 = _mm256_loadu_si256((__m256i *)(B + (j*ldb + k) / 8));
                __m256i xor256 = _mm256_xor_si256(a_bit256, b_bit256);
                __m256i c_bit256 = _mm256_andnot_si256(xor256, all_1); //we can do NOT for wegihts once and do not do this NOT
                int tmp_count = popcnt256(c_bit256);

                if (K - k < bit_step)  tmp_count = tmp_count - (bit_step - (K - k));    // remove extra bits
                count += tmp_count;
                //binary_int64_printf(c_bit64);
                //printf(", count = %d \n\n", tmp_count);
            }

            C[i*ldc + j] = (2 * count - K) * mean_val;
        }
    }
}


void float_to_bit(float *src, unsigned char *dst, size_t size)
{
    size_t dst_size = size / 8 + 1;
    memset(dst, 0, dst_size);

    size_t i;
    __m128i all128_0 = _mm_set_epi32(0, 0, 0, 0);
    __m256 all256_0 = _mm256_set1_ps(0);
    __m256i bits_asc = _mm256_set_epi32(1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128);
    //for(i = 0; i < 8; ++i) bits_asc.m256i_i32[i] = 1 << i;

    for (i = 0; i < size; i+=8)
    {
        __m256 src256 = _mm256_loadu_ps((__m256i *)(&src[i]));  // load 256 bits
        __m256 result256 = _mm256_cmp_ps(src256, all256_0, _CMP_GT_OS); // compare dst[i] = (float[i] > 0)

        __m256i bits256 = _mm256_castps_si256(result256);       // floats to ints32
        __m256i and256 = _mm256_and_si256(bits256, bits_asc);   // bitwise and

        // sum all elements from single and256
        __m128i tmp128 = _mm_hadd_epi32(_mm256_extractf128_si256(and256, 0), _mm256_extractf128_si256(and256, 1));
        tmp128 = _mm_hadd_epi32(tmp128, all128_0);
        tmp128 = _mm_hadd_epi32(tmp128, all128_0);

        dst[i / 8] = tmp128.m128i_i32[0];
    }
    // int _mm256_movemask_epi8 (__m256i a)
}

#else

void gemm_nn(int M, int N, int K, float ALPHA,
@@ -213,6 +530,72 @@
        }
    }
}

void gemm_nn_custom_bin_mean_transposed(int M, int N, int K, float ALPHA_UNUSED,
    unsigned char *A, int lda,
    unsigned char *B, int ldb,
    float *C, int ldc, float *mean_arr)
{
    int i, j, k, h;

#pragma omp parallel for
    for (i = 0; i < M; ++i) {   // l.n - filters [16 - 55 - 1024]
        float mean_val = mean_arr[i];

        for (j = 0; j < N; ++j) { // out_h*out_w - one channel output size [169 - 173056]
            int count = 0;

            for (k = 0; k < K; k += 64) {   // l.size*l.size*l.c - one filter size [27 - 9216]
                uint64_t a_bit64 = *((uint64_t *)(A + (i*lda + k) / 8));
                uint64_t b_bit64 = *((uint64_t *)(B + (j*ldb + k) / 8));
                uint64_t c_bit64 = xnor_int64(a_bit64, b_bit64);

#ifdef WIN32
                int tmp_count = __popcnt64(c_bit64);
#else
                int tmp_count = __builtin_popcountll(c_bit64);
#endif

                if (K - k < 64)  tmp_count = tmp_count - (64 - (K - k));    // remove extra bits
                count += tmp_count;
                //binary_int64_printf(c_bit64);
                //printf(", count = %d \n\n", tmp_count);
            }

            C[i*ldc + j] = (2 * count - K) * mean_val;
        }
    }
}

void float_to_bit(float *src, unsigned char *dst, size_t size)
{
    size_t dst_size = size / 8 + 1;
    memset(dst, 0, dst_size);

    size_t i;
    char *byte_arr = calloc(size, sizeof(char));
    for (i = 0; i < size; ++i) {
        if (src[i] > 0) byte_arr[i] = 1;
    }

    //for (i = 0; i < size; ++i) {
    //    dst[i / 8] |= byte_arr[i] << (i % 8);
    //}

    for (i = 0; i < size; i += 8) {
        char dst_tmp = 0;
        dst_tmp |= byte_arr[i + 0] << 0;
        dst_tmp |= byte_arr[i + 1] << 1;
        dst_tmp |= byte_arr[i + 2] << 2;
        dst_tmp |= byte_arr[i + 3] << 3;
        dst_tmp |= byte_arr[i + 4] << 4;
        dst_tmp |= byte_arr[i + 5] << 5;
        dst_tmp |= byte_arr[i + 6] << 6;
        dst_tmp |= byte_arr[i + 7] << 7;
        dst[i / 8] = dst_tmp;
    }
    free(byte_arr);
}
#endif    // __x86_64

void gemm_nt(int M, int N, int K, float ALPHA,