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#!/usr/bin/env perl
# Copyright 2017-2020 The OpenSSL Project Authors. All Rights Reserved.
#
# Licensed under the OpenSSL license (the "License").  You may not use
# this file except in compliance with the License.  You can obtain a copy
# in the file LICENSE in the source distribution or at
# https://www.openssl.org/source/license.html
#
# ====================================================================
# Written by Andy Polyakov <appro@openssl.org> for the OpenSSL
# project. The module is, however, dual licensed under OpenSSL and
# CRYPTOGAMS licenses depending on where you obtain it. For further
# details see http://www.openssl.org/~appro/cryptogams/.
# ====================================================================
#
# Keccak-1600 for AVX512VL.
#
# December 2017.
#
# This is an adaptation of AVX2 module that reuses register data
# layout, but utilizes new 256-bit AVX512VL instructions. See AVX2
# module for further information on layout.
#
########################################################################
# Numbers are cycles per processed byte out of large message.
#
#            r=1088(*)
#
# Skylake-X        6.4/+47%
#
# (*)    Corresponds to SHA3-256. Percentage after slash is improvement
#    coefficient in comparison to scalar keccak1600-x86_64.pl.
 
# Digits in variables' names denote right-most coordinates:
 
my ($A00,    # [0][0] [0][0] [0][0] [0][0]        # %ymm0
    $A01,    # [0][4] [0][3] [0][2] [0][1]        # %ymm1
    $A20,    # [3][0] [1][0] [4][0] [2][0]        # %ymm2
    $A31,    # [2][4] [4][3] [1][2] [3][1]        # %ymm3
    $A21,    # [3][4] [1][3] [4][2] [2][1]        # %ymm4
    $A41,    # [1][4] [2][3] [3][2] [4][1]        # %ymm5
    $A11) =    # [4][4] [3][3] [2][2] [1][1]        # %ymm6
    map("%ymm$_",(0..6));
 
# We also need to map the magic order into offsets within structure:
 
my @A_jagged = ([0,0], [1,0], [1,1], [1,2], [1,3],    # [0][0..4]
       [2,2], [6,0], [3,1], [4,2], [5,3],    # [1][0..4]
       [2,0], [4,0], [6,1], [5,2], [3,3],    # [2][0..4]
       [2,3], [3,0], [5,1], [6,2], [4,3],    # [3][0..4]
       [2,1], [5,0], [4,1], [3,2], [6,3]);    # [4][0..4]
   @A_jagged = map(8*($$_[0]*4+$$_[1]), @A_jagged);    # ... and now linear
 
my @T = map("%ymm$_",(7..15));
my ($C14,$C00,$D00,$D14) = @T[5..8];
my ($R20,$R01,$R31,$R21,$R41,$R11) = map("%ymm$_",(16..21));
 
$code.=<<___;
.text
 
.type    __KeccakF1600,\@function
.align    32
__KeccakF1600:
   lea        iotas(%rip),%r10
   mov        \$24,%eax
   jmp        .Loop_avx512vl
 
.align    32
.Loop_avx512vl:
   ######################################### Theta
   vpshufd        \$0b01001110,$A20,$C00
   vpxor        $A31,$A41,$C14
   vpxor        $A11,$A21,@T[2]
   vpternlogq    \$0x96,$A01,$T[2],$C14    # C[1..4]
 
   vpxor        $A20,$C00,$C00
   vpermq        \$0b01001110,$C00,@T[0]
 
   vpermq        \$0b10010011,$C14,@T[4]
   vprolq        \$1,$C14,@T[1]        # ROL64(C[1..4],1)
 
   vpermq        \$0b00111001,@T[1],$D14
   vpxor        @T[4],@T[1],$D00
   vpermq        \$0b00000000,$D00,$D00    # D[0..0] = ROL64(C[1],1) ^ C[4]
 
   vpternlogq    \$0x96,@T[0],$A00,$C00    # C[0..0]
   vprolq        \$1,$C00,@T[1]        # ROL64(C[0..0],1)
 
   vpxor        $D00,$A00,$A00        # ^= D[0..0]
 
   vpblendd    \$0b11000000,@T[1],$D14,$D14
   vpblendd    \$0b00000011,$C00,@T[4],@T[0]
 
   ######################################### Rho + Pi + pre-Chi shuffle
    vpxor        $D00,$A20,$A20        # ^= D[0..0] from Theta
   vprolvq        $R20,$A20,$A20
 
    vpternlogq    \$0x96,@T[0],$D14,$A31    # ^= D[1..4] from Theta
   vprolvq        $R31,$A31,$A31
 
    vpternlogq    \$0x96,@T[0],$D14,$A21    # ^= D[1..4] from Theta
   vprolvq        $R21,$A21,$A21
 
    vpternlogq    \$0x96,@T[0],$D14,$A41    # ^= D[1..4] from Theta
   vprolvq        $R41,$A41,$A41
 
    vpermq        \$0b10001101,$A20,@T[3]    # $A20 -> future $A31
    vpermq        \$0b10001101,$A31,@T[4]    # $A31 -> future $A21
    vpternlogq    \$0x96,@T[0],$D14,$A11    # ^= D[1..4] from Theta
   vprolvq        $R11,$A11,@T[1]        # $A11 -> future $A01
 
    vpermq        \$0b00011011,$A21,@T[5]    # $A21 -> future $A41
    vpermq        \$0b01110010,$A41,@T[6]    # $A41 -> future $A11
    vpternlogq    \$0x96,@T[0],$D14,$A01    # ^= D[1..4] from Theta
   vprolvq        $R01,$A01,@T[2]        # $A01 -> future $A20
 
   ######################################### Chi
   vpblendd    \$0b00001100,@T[6],@T[2],$A31    #               [4][4] [2][0]
   vpblendd    \$0b00001100,@T[2],@T[4],@T[8]    #               [4][0] [2][1]
    vpblendd    \$0b00001100,@T[4],@T[3],$A41    #               [4][2] [2][4]
    vpblendd    \$0b00001100,@T[3],@T[2],@T[7]    #               [4][3] [2][0]
   vpblendd    \$0b00110000,@T[4],$A31,$A31    #        [1][3] [4][4] [2][0]
   vpblendd    \$0b00110000,@T[5],@T[8],@T[8]    #        [1][4] [4][0] [2][1]
    vpblendd    \$0b00110000,@T[2],$A41,$A41    #        [1][0] [4][2] [2][4]
    vpblendd    \$0b00110000,@T[6],@T[7],@T[7]    #        [1][1] [4][3] [2][0]
   vpblendd    \$0b11000000,@T[5],$A31,$A31    # [3][2] [1][3] [4][4] [2][0]
   vpblendd    \$0b11000000,@T[6],@T[8],@T[8]    # [3][3] [1][4] [4][0] [2][1]
    vpblendd    \$0b11000000,@T[6],$A41,$A41    # [3][3] [1][0] [4][2] [2][4]
    vpblendd    \$0b11000000,@T[4],@T[7],@T[7]    # [3][4] [1][1] [4][3] [2][0]
   vpternlogq    \$0xC6,@T[8],@T[3],$A31        # [3][1] [1][2] [4][3] [2][4]
    vpternlogq    \$0xC6,@T[7],@T[5],$A41        # [3][2] [1][4] [4][1] [2][3]
 
   vpsrldq        \$8,@T[1],@T[0]
   vpandn        @T[0],@T[1],@T[0]    # tgting  [0][0] [0][0] [0][0] [0][0]
 
   vpblendd    \$0b00001100,@T[2],@T[5],$A11    #               [4][0] [2][3]
   vpblendd    \$0b00001100,@T[5],@T[3],@T[8]    #               [4][1] [2][4]
   vpblendd    \$0b00110000,@T[3],$A11,$A11    #        [1][2] [4][0] [2][3]
   vpblendd    \$0b00110000,@T[4],@T[8],@T[8]    #        [1][3] [4][1] [2][4]
   vpblendd    \$0b11000000,@T[4],$A11,$A11    # [3][4] [1][2] [4][0] [2][3]
   vpblendd    \$0b11000000,@T[2],@T[8],@T[8]    # [3][0] [1][3] [4][1] [2][4]
   vpternlogq    \$0xC6,@T[8],@T[6],$A11        # [3][3] [1][1] [4][4] [2][2]
 
     vpermq    \$0b00011110,@T[1],$A21        # [0][1] [0][2] [0][4] [0][3]
     vpblendd    \$0b00110000,$A00,$A21,@T[8]    # [0][1] [0][0] [0][4] [0][3]
     vpermq    \$0b00111001,@T[1],$A01        # [0][1] [0][4] [0][3] [0][2]
     vpblendd    \$0b11000000,$A00,$A01,$A01    # [0][0] [0][4] [0][3] [0][2]
 
   vpblendd    \$0b00001100,@T[5],@T[4],$A20    #               [4][1] [2][1]
   vpblendd    \$0b00001100,@T[4],@T[6],@T[7]    #               [4][2] [2][2]
   vpblendd    \$0b00110000,@T[6],$A20,$A20    #        [1][1] [4][1] [2][1]
   vpblendd    \$0b00110000,@T[3],@T[7],@T[7]    #        [1][2] [4][2] [2][2]
   vpblendd    \$0b11000000,@T[3],$A20,$A20    # [3][1] [1][1] [4][1] [2][1]
   vpblendd    \$0b11000000,@T[5],@T[7],@T[7]    # [3][2] [1][2] [4][2] [2][2]
   vpternlogq    \$0xC6,@T[7],@T[2],$A20        # [3][0] [1][0] [4][0] [2][0]
 
    vpermq        \$0b00000000,@T[0],@T[0]    # [0][0] [0][0] [0][0] [0][0]
    vpermq        \$0b00011011,$A31,$A31        # post-Chi shuffle
    vpermq        \$0b10001101,$A41,$A41
    vpermq        \$0b01110010,$A11,$A11
 
   vpblendd    \$0b00001100,@T[3],@T[6],$A21    #               [4][3] [2][2]
   vpblendd    \$0b00001100,@T[6],@T[5],@T[7]    #               [4][4] [2][3]
   vpblendd    \$0b00110000,@T[5],$A21,$A21    #        [1][4] [4][3] [2][2]
   vpblendd    \$0b00110000,@T[2],@T[7],@T[7]    #        [1][0] [4][4] [2][3]
   vpblendd    \$0b11000000,@T[2],$A21,$A21    # [3][0] [1][4] [4][3] [2][2]
   vpblendd    \$0b11000000,@T[3],@T[7],@T[7]    # [3][1] [1][0] [4][4] [2][3]
 
   vpternlogq    \$0xC6,@T[8],@T[1],$A01        # [0][4] [0][3] [0][2] [0][1]
   vpternlogq    \$0xC6,@T[7],@T[4],$A21        # [3][4] [1][3] [4][2] [2][1]
 
   ######################################### Iota
   vpternlogq    \$0x96,(%r10),@T[0],$A00
   lea        32(%r10),%r10
 
   dec        %eax
   jnz        .Loop_avx512vl
 
   ret
.size    __KeccakF1600,.-__KeccakF1600
___
my ($A_flat,$inp,$len,$bsz) = ("%rdi","%rsi","%rdx","%rcx");
my  $out = $inp;    # in squeeze
 
$code.=<<___;
.globl    SHA3_absorb
.type    SHA3_absorb,\@function
.align    32
SHA3_absorb:
   mov    %rsp,%r11
 
   lea    -240(%rsp),%rsp
   and    \$-32,%rsp
 
   lea    96($A_flat),$A_flat
   lea    96($inp),$inp
   lea    96(%rsp),%r10
   lea    rhotates_left(%rip),%r8
 
   vzeroupper
 
   vpbroadcastq    -96($A_flat),$A00    # load A[5][5]
   vmovdqu        8+32*0-96($A_flat),$A01
   vmovdqu        8+32*1-96($A_flat),$A20
   vmovdqu        8+32*2-96($A_flat),$A31
   vmovdqu        8+32*3-96($A_flat),$A21
   vmovdqu        8+32*4-96($A_flat),$A41
   vmovdqu        8+32*5-96($A_flat),$A11
 
   vmovdqa64    0*32(%r8),$R20        # load "rhotate" indices
   vmovdqa64    1*32(%r8),$R01
   vmovdqa64    2*32(%r8),$R31
   vmovdqa64    3*32(%r8),$R21
   vmovdqa64    4*32(%r8),$R41
   vmovdqa64    5*32(%r8),$R11
 
   vpxor        @T[0],@T[0],@T[0]
   vmovdqa        @T[0],32*2-96(%r10)    # zero transfer area on stack
   vmovdqa        @T[0],32*3-96(%r10)
   vmovdqa        @T[0],32*4-96(%r10)
   vmovdqa        @T[0],32*5-96(%r10)
   vmovdqa        @T[0],32*6-96(%r10)
 
.Loop_absorb_avx512vl:
   mov        $bsz,%rax
   sub        $bsz,$len
   jc        .Ldone_absorb_avx512vl
 
   shr        \$3,%eax
   vpbroadcastq    0-96($inp),@T[0]
   vmovdqu        8-96($inp),@T[1]
   sub        \$4,%eax
___
for(my $i=5; $i<25; $i++) {
$code.=<<___
   dec    %eax
   jz    .Labsorved_avx512vl
   mov    8*$i-96($inp),%r8
   mov    %r8,$A_jagged[$i]-96(%r10)
___
}
$code.=<<___;
.Labsorved_avx512vl:
   lea    ($inp,$bsz),$inp
 
   vpxor    @T[0],$A00,$A00
   vpxor    @T[1],$A01,$A01
   vpxor    32*2-96(%r10),$A20,$A20
   vpxor    32*3-96(%r10),$A31,$A31
   vpxor    32*4-96(%r10),$A21,$A21
   vpxor    32*5-96(%r10),$A41,$A41
   vpxor    32*6-96(%r10),$A11,$A11
 
   call    __KeccakF1600
 
   lea    96(%rsp),%r10
   jmp    .Loop_absorb_avx512vl
 
.Ldone_absorb_avx512vl:
   vmovq    %xmm0,-96($A_flat)
   vmovdqu    $A01,8+32*0-96($A_flat)
   vmovdqu    $A20,8+32*1-96($A_flat)
   vmovdqu    $A31,8+32*2-96($A_flat)
   vmovdqu    $A21,8+32*3-96($A_flat)
   vmovdqu    $A41,8+32*4-96($A_flat)
   vmovdqu    $A11,8+32*5-96($A_flat)
 
   vzeroupper
 
   lea    (%r11),%rsp
   lea    ($len,$bsz),%rax        # return value
   ret
.size    SHA3_absorb,.-SHA3_absorb
 
.globl    SHA3_squeeze
.type    SHA3_squeeze,\@function
.align    32
SHA3_squeeze:
   mov    %rsp,%r11
 
   lea    96($A_flat),$A_flat
   lea    rhotates_left(%rip),%r8
   shr    \$3,$bsz
 
   vzeroupper
 
   vpbroadcastq    -96($A_flat),$A00
   vpxor        @T[0],@T[0],@T[0]
   vmovdqu        8+32*0-96($A_flat),$A01
   vmovdqu        8+32*1-96($A_flat),$A20
   vmovdqu        8+32*2-96($A_flat),$A31
   vmovdqu        8+32*3-96($A_flat),$A21
   vmovdqu        8+32*4-96($A_flat),$A41
   vmovdqu        8+32*5-96($A_flat),$A11
 
   vmovdqa64    0*32(%r8),$R20        # load "rhotate" indices
   vmovdqa64    1*32(%r8),$R01
   vmovdqa64    2*32(%r8),$R31
   vmovdqa64    3*32(%r8),$R21
   vmovdqa64    4*32(%r8),$R41
   vmovdqa64    5*32(%r8),$R11
 
   mov    $bsz,%rax
 
.Loop_squeeze_avx512vl:
   mov    @A_jagged[$i]-96($A_flat),%r8
___
for (my $i=0; $i<25; $i++) {
$code.=<<___;
   sub    \$8,$len
   jc    .Ltail_squeeze_avx512vl
   mov    %r8,($out)
   lea    8($out),$out
   je    .Ldone_squeeze_avx512vl
   dec    %eax
   je    .Lextend_output_avx512vl
   mov    @A_jagged[$i+1]-120($A_flat),%r8
___
}
$code.=<<___;
.Lextend_output_avx512vl:
   call    __KeccakF1600
 
   vmovq    %xmm0,-96($A_flat)
   vmovdqu    $A01,8+32*0-96($A_flat)
   vmovdqu    $A20,8+32*1-96($A_flat)
   vmovdqu    $A31,8+32*2-96($A_flat)
   vmovdqu    $A21,8+32*3-96($A_flat)
   vmovdqu    $A41,8+32*4-96($A_flat)
   vmovdqu    $A11,8+32*5-96($A_flat)
 
   mov    $bsz,%rax
   jmp    .Loop_squeeze_avx512vl
 
 
.Ltail_squeeze_avx512vl:
   add    \$8,$len
.Loop_tail_avx512vl:
   mov    %r8b,($out)
   lea    1($out),$out
   shr    \$8,%r8
   dec    $len
   jnz    .Loop_tail_avx512vl
 
.Ldone_squeeze_avx512vl:
   vzeroupper
 
   lea    (%r11),%rsp
   ret
.size    SHA3_squeeze,.-SHA3_squeeze
 
.align    64
rhotates_left:
   .quad    3,    18,    36,    41    # [2][0] [4][0] [1][0] [3][0]
   .quad    1,    62,    28,    27    # [0][1] [0][2] [0][3] [0][4]
   .quad    45,    6,    56,    39    # [3][1] [1][2] [4][3] [2][4]
   .quad    10,    61,    55,    8    # [2][1] [4][2] [1][3] [3][4]
   .quad    2,    15,    25,    20    # [4][1] [3][2] [2][3] [1][4]
   .quad    44,    43,    21,    14    # [1][1] [2][2] [3][3] [4][4]
iotas:
   .quad    0x0000000000000001, 0x0000000000000001, 0x0000000000000001, 0x0000000000000001
   .quad    0x0000000000008082, 0x0000000000008082, 0x0000000000008082, 0x0000000000008082
   .quad    0x800000000000808a, 0x800000000000808a, 0x800000000000808a, 0x800000000000808a
   .quad    0x8000000080008000, 0x8000000080008000, 0x8000000080008000, 0x8000000080008000
   .quad    0x000000000000808b, 0x000000000000808b, 0x000000000000808b, 0x000000000000808b
   .quad    0x0000000080000001, 0x0000000080000001, 0x0000000080000001, 0x0000000080000001
   .quad    0x8000000080008081, 0x8000000080008081, 0x8000000080008081, 0x8000000080008081
   .quad    0x8000000000008009, 0x8000000000008009, 0x8000000000008009, 0x8000000000008009
   .quad    0x000000000000008a, 0x000000000000008a, 0x000000000000008a, 0x000000000000008a
   .quad    0x0000000000000088, 0x0000000000000088, 0x0000000000000088, 0x0000000000000088
   .quad    0x0000000080008009, 0x0000000080008009, 0x0000000080008009, 0x0000000080008009
   .quad    0x000000008000000a, 0x000000008000000a, 0x000000008000000a, 0x000000008000000a
   .quad    0x000000008000808b, 0x000000008000808b, 0x000000008000808b, 0x000000008000808b
   .quad    0x800000000000008b, 0x800000000000008b, 0x800000000000008b, 0x800000000000008b
   .quad    0x8000000000008089, 0x8000000000008089, 0x8000000000008089, 0x8000000000008089
   .quad    0x8000000000008003, 0x8000000000008003, 0x8000000000008003, 0x8000000000008003
   .quad    0x8000000000008002, 0x8000000000008002, 0x8000000000008002, 0x8000000000008002
   .quad    0x8000000000000080, 0x8000000000000080, 0x8000000000000080, 0x8000000000000080
   .quad    0x000000000000800a, 0x000000000000800a, 0x000000000000800a, 0x000000000000800a
   .quad    0x800000008000000a, 0x800000008000000a, 0x800000008000000a, 0x800000008000000a
   .quad    0x8000000080008081, 0x8000000080008081, 0x8000000080008081, 0x8000000080008081
   .quad    0x8000000000008080, 0x8000000000008080, 0x8000000000008080, 0x8000000000008080
   .quad    0x0000000080000001, 0x0000000080000001, 0x0000000080000001, 0x0000000080000001
   .quad    0x8000000080008008, 0x8000000080008008, 0x8000000080008008, 0x8000000080008008
 
.asciz    "Keccak-1600 absorb and squeeze for AVX512VL, CRYPTOGAMS by <appro\@openssl.org>"
___
 
$output=pop;
open STDOUT,">$output";
print $code;
close STDOUT or die "error closing STDOUT: $!";