RDSEED和RDRAND之间的性能差异可以忽略不计

Question

最近的Intel芯片（Ivy Bridge及以上）有生成（伪）随机位的指令<代码>RDSEED输出从芯片上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播种的伪随机数生成器生成的位。根据英特尔的文档，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方案提供，其输出对于大多数加密应用程序来说是足够安全的。（这类似于Unix系统上的开发/随机（dev/random）与开发/urandom（dev/urandom））

我很好奇这两条指令之间的性能差异，所以我写了一些代码来比较它们。令我惊讶的是，我发现在性能上几乎没有差别。有人能解释一下吗？代码和系统详细信息如下。

/* 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;
}

• Intel Core i7-6700 CPU@3.40GHz
• Ubuntu 16.04
• gcc 5.4.0

Answer 1

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（更正为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

我必须承认，我很困惑——几天后尝试同样的可执行文件会让我产生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

不知道为什么有时候RDSEED的运行速度和RDRAND一样快，有时候慢三倍。

Answer 2

对我来说，在核心m7-6Y75上，测试程序中的RDSEED偶尔会失败（我添加了两个断言（ok） s，第二个偶尔会失败）。正确的代码将重试，导致性能差异有利于RDRAND。（RDRAND也需要重试，但在实践中似乎不会发生，因此RDRAND更快。）

Answer 3

您没有检查返回值，因此不知道生成了多少实际随机数。通过重试，正如Florian建议的那样，RDSEED版本的速度要慢3倍以上：

RDRAND: 1989817
RDSEED: 6636792, 3.34 

在这种情况下，硬件熵源可能只以有限的速率生成，这会导致以比熵再生更快的速率调用时失败<另一方面，code>RDRAND仅基于定期重新播种生成伪随机序列，因此不太可能失败。

以下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();