【X86 Hall of Shame 🤪】當全球晶片製造商與軟體開發者均竭盡所能提升處理器效能時，一名知名硬體研究員卻反其道而行，在 GitHub 發起「x86 逆向最佳化計劃」(CPU Deoptimization) 專案，呼籲大家一起找出執行速度最慢的單一 x86 機器碼（Assembly instruction），並建立了一個「恥辱榜」（Hall of Shame）。目前最垃圾的 x86 單一指令執行時間長達 62 秒，共需要消耗超過 1,980 億個時脈週期（Clock cycles）。

 

據硬體研究員 Christopher Domas 表示，傳統的指令延遲分析（Instruction latency analysis）通常用於尋找效能瓶頸，協助工程師改進處理器微架構或針對特定晶片最佳化軟體運作。然而，這個「x86 逆向最佳化計劃」(CPU Deoptimization) 專案，是為了測試 x86 處理器在極端情況下的最慢執行極限。

 

目前，該「恥辱榜」佔據榜首的指令為「xrstor64」，該指令主要用於將單指令多資料流（SIMD）運算所需的暫存器狀態，從記憶體位置還原至 512 位元組（Byte）的區塊中。

 

為了達成「極致慢速」效果，Christopher Domas 採用了多重極端操作手法，自行開發了名為 mmiotic 的工具，定位出處理器內部 PCIe 匯流排（PCIe fabric）中具備高延遲特性的區域，強制 CPU 從記憶體映射 I/O（MMIO）載入這 512 位元組的狀態。光是這個步驟，就讓指令執行耗費了約 740 億個週期（折合約 23 秒）。

 

然後他透過另一個高延遲 MMIO 暫存器連續進行一系列 4 位元組的讀取操作，藉此充斥並癱瘓 CPU 的 PCIe 根組件（PCIe root complex）。這迫使進行中的 xrstor64 還原指令必須排在大量無意義的讀取指令之後等待，最終將執行時間推升至 1,980,02,498,236 個週期，換算時間高達 62 秒。

 

他表示，若未來利用 Intel Sapphire Rapids 處理器支援的 AMX 指令集實施 xrstor64，將狀態儲存區域從 512 位元組擴大至 8KB，該指令的執行時間甚至可能突破 1 兆個時脈週期，導致指令卡死更長時間。

 

目前該「x86 逆向最佳化計劃」排行榜已正式於 GitHub 上線，歡迎各大高手前來挑戰。為了確保實驗的公平性與純粹性，測試設有明確規範，包括測量範圍必須完全限定於單一指令的執行過程，不允許使用可被中斷（Interruptible）的指令，亦不得採計在處理程序（Handler）上執行的模擬指令，所有測量時間均根據 CPU 的基準時脈（Base clock）進行標準化換算。

 

由於涉及底層組合語言，此排行榜的競賽關鍵並非單純比較指令本身，而是考驗如何透過複雜的底層硬體機制運作該指令。只能說高手們的快樂往往就是這麼樸實無華且枯燥。

 

 

 

資料來源:

 

• Instruction latency analysis usually focuses on performance optimization—making code run as fast as possible. The Assembly Hall of Shame takes the opposite approach: searching for the absolute floor of single-instruction performance.