WebAssembly SIMD

WebAssembly に 128-bit 幅のベクトル演算 (SIMD: Single Instruction Multiple Data) を追加する拡張仕様。単一の命令で複数のデータ要素を同時に処理し、スカラ WASM と比べて 2-6x の高速化を実現する。WebAssembly 2.0 仕様の一部として 2024年12月に W3C Standard となった。

なぜ 128-bit か

x86 (SSE2 以降)、ARM (NEON)、RISC-V など現行の主要アーキテクチャが全て 128-bit SIMD をサポートしている。128-bit は「どのハードウェアでも確実に高速実行できる」最大公約数。

graph LR
    subgraph "128-bit v128"
        direction LR
        A["f32"] --- B["f32"] --- C["f32"] --- D["f32"]
    end
    style A fill:#4a9,color:#fff
    style B fill:#4a9,color:#fff
    style C fill:#4a9,color:#fff
    style D fill:#4a9,color:#fff

1命令で 4つの f32 を同時に加算・乗算できる。

v128 型とレーン解釈

v128 は唯一の新しい値型。命令によってレーンの解釈が変わる:

合計 236 命令を追加。オペコードプレフィックスは 0xfd。

命令カテゴリ

メモリ操作

構築・シャッフル

整数算術

拡張整数演算

浮動小数点算術

ビット演算・比較

型変換

ネイティブ SIMD とのマッピング

WASM SIMD は SSE2/SSSE3/SSE4.1 と NEON の共通部分集合を基に設計されている。

アーキテクチャ非対称性: 一部命令は特定ハードウェアで非効率。i8x16.bitmask は x86 では1命令だが ARM64 では24サイクル。これが hashbrown が WASM SIMD を採用しなかった理由でもある (PR #269 が Close)。

パフォーマンス

実例:

• MediaPipe 手追跡: 14-15 FPS → 38-40 FPS (2.7x)
• TensorFlow.js ML推論: 2-4x 高速化
• Canny エッジ検出: ネイティブの 1.16-1.22x 程度の遅延 (ほぼネイティブ)

ブラウザ対応状況

グローバルカバレッジ: 約 94.2% (2026年時点)。

言語サポート

Rust

use std::arch::wasm32::*;

#[target_feature(enable = "simd128")]
pub unsafe fn add_vectors(a: &[f32; 4], b: &[f32; 4]) -> [f32; 4] {
    let va = v128_load(a.as_ptr() as *const v128);
    let vb = v128_load(b.as_ptr() as *const v128);
    let result = f32x4_add(va, vb);
    let mut out = [0.0f32; 4];
    v128_store(out.as_mut_ptr() as *mut v128, result);
    out
}

有効化方法:

• 関数単位: #[target_feature(enable = "simd128")]
• 全体: -Ctarget-feature=+simd128

モジュール: std::arch::wasm32 / core::arch::wasm32

C/C++ (Emscripten)

#include <wasm_simd128.h>

void brighten(uint8_t* pixels, int count, uint8_t amount) {
    v128_t vadd = wasm_u8x16_splat(amount);
    for (int i = 0; i < count; i += 16) {
        v128_t px = wasm_v128_load(&pixels[i]);
        v128_t result = wasm_u8x16_add_sat(px, vadd);
        wasm_v128_store(&pixels[i], result);
    }
}
// emcc -msimd128 -O2 brighten.c -o brighten.wasm

Emscripten は SSE/NEON 互換ヘッダも提供。既存の <xmmintrin.h> コードをそのままコンパイル可能。

制限事項

ユースケース

将来の拡張

策定経緯

チャンピオン: Deepti Gandluri (Google / V8)

押さえどころ（カード化候補）

• WASM SIMD の位置づけ → WebAssembly に 128-bit ベクトル演算を追加する拡張。v128 型 1つで i8x16〜f64x2 のレーン解釈を命令で切り替え。236命令追加。W3C Standard (2024)
• なぜ 128-bit か → x86 (SSE2)、ARM (NEON)、RISC-V が全て 128-bit をサポート。どのハードウェアでも確実に高速実行できる最大公約数
• WASM SIMD vs スカラの高速化 → 一般的に 2-4x、画像処理で最大 6x。ネイティブ SIMD との差は 15-50%
• bitmask のアーキテクチャ非対称性 → i8x16.bitmask は x86 では PMOVMSKB 1命令だが ARM64 では 24サイクルの依存チェーン。hashbrown が WASM SIMD を採用しなかった原因
• WASM SIMD にない命令 → Gather/Scatter、i8x16.mul、水平加算、FMA (Fixed-width)。FMA は Relaxed SIMD で追加
• ランタイム検出の不在 → CPUID 相当がない。SIMD対応はコンパイル時に全体で決定。非対応環境向けに別ビルドが必要
• Rust での WASM SIMD → std::arch::wasm32 モジュール。#[target_feature(enable = “simd128”)] で関数単位に有効化。v128 型を直接操作
• C/C++ での WASM SIMD → wasm_simd128.h ヘッダ + emcc -msimd128。SSE/NEON 互換ヘッダも提供され既存コードを移植可能
• v128 のレーン解釈 → 同じ v128 型を命令で i8x16/i16x8/i32x4/i64x2/f32x4/f64x2 として解釈。型ではなく命令がデータ幅を決める
• WASM SIMD の将来 → Relaxed SIMD (FMA 等, Phase 4 完了)、Flexible Vectors (128-bit 超, Phase 1)、Half-Precision Float (f16x8)

Links

• WebAssembly/simd (GitHub)
• SIMD Proposal Spec
• V8 SIMD Feature Page
• Emscripten SIMD Documentation
• Rust core::arch::wasm32
• Can I Use: wasm-simd

関連

• relaxed-simd — 非決定性を許容して FMA 等の高速命令を追加する拡張提案
• swiss-table — SIMD を活用したハッシュテーブル探索 (ネイティブ環境)
• hashbrown — WASM では bitmask の非対称性により SIMD 不使用 (ポータブル fallback)