Sparse Ternary General Matrix-Matrix Multiplication (GEMM) remains under-optimized in existing libraries for Apple Silicon CPUs. We present a Sparse Ternary GEMM kernel optimized specifically for Apple's M-series processors. We propose a set of architecture-aware optimizations, including a novel blocked and interleaved sparse data format to improve memory locality, strategies to increase Instruction-Level Parallelism (ILP), and NEON-based Single Instruction Multiple Data (SIMD) vectorization to exploit data-level parallelism. Our scalar implementation achieves up to a 5.98x performance increase over a traditional Ternary Compressed Sparse Column (TCSC) baseline for large matrices with 50% ternary nonzero values (sparsity), reaching up to a 50.2% of the processor's theoretical peak performance, and remains stable across varying sparsity levels. Our vectorized implementation delivers up to a 5.59x performance increase for large matrices with 25% sparsity, and remains stable across varying sparsity levels.


翻译:稀疏三元通用矩阵乘法(GEMM)在现有针对苹果硅CPU的库中仍未得到充分优化。我们提出了一种专为苹果M系列处理器优化的稀疏三元GEMM内核。我们提出了一系列架构感知优化方案,包括一种新颖的分块交错稀疏数据格式以提升内存局部性、提高指令级并行性(ILP)的策略,以及基于NEON的单指令多数据(SIMD)向量化技术以挖掘数据级并行潜力。对于具有50%三元非零值(稀疏度)的大型矩阵,我们的标量实现相比传统三元压缩稀疏列(TCSC)基线实现了最高5.98倍的性能提升,达到了处理器理论峰值性能的50.2%,且在不同稀疏度下保持稳定。我们的向量化实现在稀疏度为25%的大型矩阵上实现了最高5.59倍的性能提升,并在不同稀疏度下保持稳定。

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