RDSEED 和 RDRAND 之间的性能差异可以忽略不计

Question

最近的英特尔芯片（Ivy Bridge 及更高版本）具有生成（伪）随机位的指令。 RDSEED 输出从芯片上的传感器收集的熵生成的“真实”随机位。 RDRAND 输出由真随机数生成器种子从伪随机数生成器生成的位。根据Intel's documentation，RDSEED 速度较慢，因为收集熵的成本很高。因此，RDRAND 作为一种更便宜的替代品提供，其输出对于大多数加密应用程序来说足够安全。 （这类似于 Unix 系统上的 /dev/random 与 /dev/urandom。）

我很好奇这两条指令的性能差异，所以我写了一些代码来比较它们。令我惊讶的是，我发现在性能方面几乎没有区别。谁能提供解释？代码和系统详细信息如下。

基准测试

/* Compare the performance of RDSEED and RDRAND.
 *
 * Compute the CPU time used to fill a buffer with (pseudo) random bits 
 * using each instruction.
 *
 * Compile with: gcc -mdrnd -mdseed
 */
#include <time.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <x86intrin.h>

#define BUFSIZE (1<<24)

int main() {

  unsigned int ok, i;
  unsigned long long *rand = malloc(BUFSIZE*sizeof(unsigned long long)), 
                     *seed = malloc(BUFSIZE*sizeof(unsigned long long)); 

  clock_t start, end, bm;

  // RDRAND (the benchmark)
  start = clock();
  for (i = 0; i < BUFSIZE; i++) {
    ok  = _rdrand64_step(&rand[i]);
  }
  bm = clock() - start;
  printf("RDRAND: %li\n", bm);

  // RDSEED
  start = clock();
  for (i = 0; i < BUFSIZE; i++) {
    ok = _rdseed64_step(&seed[i]);
  }
  end = clock();
  printf("RDSEED: %li, %.2lf\n", end - start, (double)(end-start)/bm);

  free(rand);
  free(seed);
  return 0;
}

系统详情

• 英特尔酷睿 i7-6700 CPU @ 3.40GHz
• Ubuntu 16.04
• gcc 5.4.0

Answer 1

您没有检查返回值，因此您没有生成多少实际随机数。重试，因为 Florian suggested RDSEED 版本慢了 3 倍以上：

RDRAND: 1989817
RDSEED: 6636792, 3.34 

在幕后，硬件熵源可能仅以有限的速率生成，这会导致RDSEED 在以比熵再生速度更快的速率调用时失败。而RDRAND 只是基于周期性重新播种生成伪随机序列，因此不太可能失败。

这里是修改后的代码摘录：

  // RDRAND (the benchmark)
  start = clock();
  for (i = 0; i < BUFSIZE; i++) {
    while (!_rdrand64_step(&rand[i]))
        ;
  }
  bm = clock() - start;
  printf("RDRAND: %li\n", bm);

  // RDSEED
  start = clock();
  for (i = 0; i < BUFSIZE; i++) {
    while (!_rdseed64_step(&seed[i]))
        ;
  }
  end = clock();

Answer 2

对我来说，在 Core m7-6Y75 上，您的测试程序中的 RDSEED 偶尔会失败（我添加了两个 assert (ok);s，第二个偶尔会失败）。正确的代码会重试，从而导致有利于RDRAND 的性能差异。 （RDRAND 也需要重试，但在实践中似乎不会发生，所以RDRAND 更快。）

Answer 3

有趣 - 在我使用 3.6 GHz 10 核英特尔酷睿 i9（在 iMac 上）的情况下，使用上述程序（更正以在失败的情况下重复 RDRAND/RDSEED 调用）我观察到：

$ ./rdseed-test 
RDRAND: 1751837
RDSEED: 1752472, 1.00

更新

我必须承认我很困惑 - 几天后尝试同样的可执行文件给了我 3 倍的差异，就像上面其他人报告的那样：

$ ./rdseed-test 
RDRAND: 1761312
RDSEED: 5309609, 3.01

不知道为什么有时 RDSEED 的运行速度与 RDRAND 一样快，而有时却慢了三倍。