使用 16 位浮点数填充 MTLBuffer答案

【问题标题】：Populating MTLBuffer with 16-bit Floats使用 16 位浮点数填充 MTLBuffer
【发布时间】：2019-10-25 07:21:28
【问题描述】：

我正在使用 float2 向量填充 MTLBuffer。缓冲区的创建和填充如下：

struct Particle {
   var position: float2
   ...
}

let particleCount = 100000
let bufferSize = MemoryLayout<Particle>.stride * particleCount
particleBuffer = device.makeBuffer(length: bufferSize)!

var pointer = particleBuffer.contents().bindMemory(to: Particle.self, capacity: particleCount)
pointer = pointer.advanced(by: currentParticles)
pointer.pointee.position = [x, y]

在我的 Metal 文件中，缓冲区的访问方式如下：

struct Particle {
   float2 position;
   ...
};

kernel void compute(device Particle *particles [[buffer(0)]], … )

我需要在我的 Metal 计算内核中使用半精度浮点数。在 Metal 方面，只需为数据类型指定 half2 即可。

在 CPU 方面，用半精度浮点数填充缓冲区的最佳方法是什么？

【问题讨论】：

我知道你包含了swift4 标签，但是如果你可以使用 Swift 5.3（从 Apple 下载 XCode 12.2 测试版），那么他们现在显然有 Float16。欢呼！ hackingwithswift.com/articles/218/whats-new-in-swift-5-3

标签： swift swift4 metal half-precision-float

【解决方案1】：

Swift 中的半精度浮点数非常尴尬，因为目前还没有 Float16 类型（尽管 one has been proposed），而且 Clang 支持的非标准 __fp16 类型在 Swift 中也不完全支持。

然而，通过类型双关和桥接头的魔力，您或许能够拼凑出一个可行的解决方案。

基本方法是这样的：在一个 Objective-C 头文件中，声明一个带有两个 uint16_t 成员的 half2 类型。这些将是我们的存储类型。还要声明一个函数，该函数接受一个浮点数并将其作为__fp16 写入指向uint16_t 的指针：

typedef struct {
    uint16_t x, y;
} half2;

static void storeAsF16(float value, uint16_t *_Nonnull pointer) { *(__fp16 *)pointer = value; }

回到 Swift，你可以声明一个类型别名并在你的粒子结构定义中使用它：

typealias Half2 = half2

struct Particle {
    var position: Half2
}

（这里我将小写类型的类型别名为 Swiftier 名称；您可以跳过此步骤，如果愿意，只需将 Obj-C 类型命名为 Half2）。

您需要将缓冲区绑定到半向量类型，而不是绑定到粒子类型：

var pointer = particleBuffer.contents().bindMemory(to: Half2.self, capacity: particleCount)

当我们使用实用函数存储浮点数时，对应半值的位模式会写入UInt16：

var x: UInt16 = 0
var y: UInt16 = 0
storeAsF16(1.0, &x) // 0x3c00
storeAsF16(0.5, &y) // 0x3800

现在我们已经在这对变量中正确格式化了一半值，我们可以将它们写入缓冲区：

pointer.pointee = Half2(x: x, y: y)

请注意，这种方法既不便携也不安全，尤其是因为 Swift 不对结构成员布局做出任何保证。可能还有其他不太麻烦的方法；这正是过去对我有用的方法。

【讨论】：