ISSCC 2015 AMDは、同社の新しいx86ベースのノートパソコン用システムオンチップCarrizoは、前世代のKaveriよりもトランジスタ数が多く、消費電力が少ないと主張し、それを裏付けるエンジニアリングの一部を披露した。
今週サンフランシスコで開催される国際固体回路会議に間に合うように、AMD は、ノート PC や類似の機器向けに 4 つの Excavator x86 コアと 8 つの Radeon GPU コアを搭載した Carrizo アクセラレーテッド プロセッシング ユニット (APU) に関するプレゼンテーションを準備しました。
APU は今年前半にリリースされる予定である。チップ大手の同社は今日、フィードや速度ではなく、システムオンチップのアーキテクチャについて語りたいと考えている。
念頭に置いておくべき重要な点の 1 つは、Carrizo が 28nm プロセス チップであるということです。Intel が 14nm FinFET 設計に全力で取り組んでいる一方で、AMD はプロセスの縮小を開始する前に、より大きなゲート サイズからワットあたりのパフォーマンスを最大限に引き出せるかどうかに大きく賭けています。
また、250mm 2 のCarrizoダイのうち、x86コンピューティングはわずか16%で、残りはグラフィックス、ビデオアクセラレーション、そしてIOです。これは、AMDがモバイル市場で差別化を図る試みです。
AMDの最高技術責任者マーク・ペーパーマスター氏は、自社のビジネスを、インテルのような巨大企業との競争に直面し、その才能をいくつかの重要な分野に集中させる必要があることを認識しなければならなかった「気骨のあるエンジニアリング会社」に例えた。この場合、それはChipzillaのCore i5ファミリーを追いかけることと、ノートパソコンとノートパソコン・タブレットコンボのバッテリーから可能な限りの力を引き出すことだ。
技術仕様
このチップは31億ゲートを搭載しており、これは28nmプロセスを採用したKaveriと比べて29%増の規模で、ダイサイズはほぼ同じです。追加されたトランジスタは、グラフィックハードウェア、PC周辺機器を制御する統合型サウスブリッジ、4K H.265ビデオ再生のアクセラレーション、HSA（ハイスピード・アダプティブ・アクセラレーション）などの機能に使用されています。
APUにこれだけの機能が組み込まれているため、ノートパソコンのマザーボードに搭載するチップの数は少なくて済みます。「部品表（BOM）が小さくなればなるほど、バッテリー用のスペースが増えます」と、AMDの製品最高技術責任者であるジョー・マクリ氏は今夜The Register紙に語りました。バッテリーが大きくなれば、Twitterを使える時間も長くなります。
Carrizo APUはHSA 1.0に準拠しています。これは、GPUコアとCPUコアが物理メモリマップ全体を共有し、コード実行時に同じデータブロックを一貫して処理するアーキテクチャです。AMDは、これによりソフトウェアが画像認識などの処理をGPU側に容易にオフロードし、CPUは他の処理を実行し続けることができると考えています。
HSA 1.0 仕様は、今後数週間以内に公開される予定です。
AMDの大きな自慢を詳しく見ていきましょう。消費電力の削減とパフォーマンスの向上により、これらのチップを搭載したノートパソコンはバッテリーをより有効に活用できるようになります。AMDはCarrizo APUパッケージあたり12～35WのTDPを目標としており、x86コアはそのうち5～10Wを消費します。
新しいx86 Excavatorコア
AMDは、GPUエレクトロニクスのレイアウトに使用されている設計ツールを、Steamroller x86アプリケーションコアに適用しました。これにより、コアのサイズは今週発表されたExcavatorシリーズにまで縮小されたと伝えられています。アプリケーションコアの占有面積は23%削減され、ExcavatorはSteamrollerと同等の消費電力で、一般的に高いクロック周波数で動作できるようになりました。
掘削機には Steamrollers よりも多くのゲートがあり、これは主に Intel Haswell 命令のサポートを追加するためです。
Steamroller 対 Excavator ... コアペアあたり 20W に達するまでは問題ありません (クリックして拡大)
この小型化は、GPUのようなメタライゼーションを用いることで可能になった。CPUコアのゲートを接続する配線は、太く先細りの傾向があり、高周波信号をシリアルで伝送するのに適している。GPUコアは、より細い配線ネットワークを用いて、低周波数でデータを並列処理し、速度と並列性を両立させている。x86コアをGPUのようなより薄い金属配線スタックに移行することで、AMDは、ノートPCに十分な性能を維持しながら、大幅な省スペース化を実現できると述べている。前世代機と比較して、1サイクルあたりの命令実行数は5%増加し、消費電力は最大40%削減されている。
「GPUの高密度設計ライブラリをCPUに適用しました。これにより、消費電力と実装面積の面で設計が削減されました」と、Carrizoの電力管理を監督したAMDコーポレートフェロー、サム・ナフジガー氏はThe Registerに語った。
x86 CPUにGPU設計を適用すると何が起こるか
コアのL2キャッシュはKaveriから半分の1MBに削減され、他のハードウェアに利用可能なダイスペースが確保されました。コアあたりのL1キャッシュは32KBに倍増し、オンチップバッファとFIFOも増加しました。
「[L2]キャッシュはそれほど電力を消費しないので、それを半分にすることで、利用できるダイ領域が広がります。ほとんどのアプリケーションでは、1MBあれば十分です」とナフツィガー氏は付け加えた。
適応電圧・周波数スケーリング（AVFS）
GPU と CPU は、電源電圧の一時的なノイズへの対応が Kaveri よりも優れていると言われています。電源の不安定さに対処するために過電圧を要求するのではなく、チップは、1 ナノ秒未満でクロック周波数を縮小して消費電力を削減することで、最小しきい値を下回る電圧の低下に対応できます。言い換えれば、電源の低下に適切に対処します。
少し不自然な比喩を許していただければ、道路の凹凸を乗り越える際、高価なサスペンションを使って衝撃を吸収するか、減速するかのどちらかです。AMDのCarrizoはブレーキをかけることを好みますが、同社のエンジニアによると、これは全体的な消費電力に良い影響を与えます。供給電力が良好な場合、過剰なV dd電圧で常時動作し、電力の無駄を省くことができるからです。
これにより、CPU の電力消費が最大 20 パーセント、GPU の電力消費が最大 10 パーセント削減されるはずです。
周波数スケーリングに関して言えば、APUの電力管理ハードウェアはExcavatorコアの奥深くに配線されており、各コアのパフォーマンスを感知することができます。通常の温度センサーや消費電力センサーに加え、AVFS技術はダイ全体の信号電圧と周波数の変動を検知し、プロセッサの動作を調整して安定性を維持します。すべてのダイが同じように作られているわけではありません。シリコンの特性はわずかに変化するため、AMDはこのようにコアをチューニングしています。
掘削機コアごとに 10 個の AVFS モジュールがあり、500 個の周波数検知ポイントが含まれていると言われています。
「私たちは回路をもっとスマートにして、電圧や速度能力、コア温度を適応・測定し、その動作をパワーマネージャーに知らせるようにしています」とナフツィガー氏は語った。
「『万能』プロセッサの時代は終わりました。CarrizoはCPUとGPUの内部にさらにアクセスできるようになりました。」
パワーマネージャは、S3電力状態（APUの消費電力が50mW未満）と同等の状態に非常に高速に切り替えるのが得意だそうです。この状態はSOi3と呼ばれ、パワーエレクトロニクスとフュージョンコントローラハブだけが動作し、何らかの割り込みを待機します。SOi3状態への移行はS3よりもはるかに高速です。SOi3とS3状態への移行と終了にはオペレーティングシステムの介入が必要ですが、サウスブリッジとIOが統合されているため、APUは前世代機よりも高速に周辺機器をスリープ状態にしたり起動したりできます。つまり、ノートパソコンは低電力状態から非常に速く復帰できるということです。
APU には、ARM の TrustZone を実装する 32 ビット ARM 互換マイクロコントローラもあります。これは、システム オン チップの電源投入時にコードを実行する最初のコアであり、パッケージを初期化し、信頼できるオペレーティング システムがロードされるようにすることが期待されています。
これは一体どこへ向かっているのか
AMDの幹部たちはCarrizoを特に誇りに思っており、当然のことだ。このAPUは、ある程度の改良が必要だ。PC需要の落ち込みやその他の不調により、カリフォルニアに本社を置くAMDの流通チャネルには、約1億ドル分の売れ残りチップが山積みになっている。
伝説によると、任天堂の幹部がATIのハードウェアエンジニアと会い、Wiiに自社のグラフィックプロセッサを搭載することについて話し合った際、電子機器担当のエンジニアたちは「ハードウェアは重要ではない」と言われたそうです。Wiiが家族向けエンターテインメントに注力していたことは、リビングルームでの成功に不可欠だったため、チップの性能が十分でなければいけなかったのです。
現在ATIの親会社であるAMDも、同様の危機に直面している。Carrizoがどれほど優れた製品であっても、その商業的成功は、それが搭載されるコンピュータにかかっている。もしCarrizoが高価なノートPCに搭載されたり、消費電力の大きいコンボノートPCに紛れ込んだりしたら、シリコンレベルのエンジニアリングの成果はすべて無駄になってしまう。たとえ機器自体は優れていても、デフォルトのOS（例えばWindows 10）が皆に気に入られなければ、ナノメートルレベルでの進歩を誰が覚えているだろうか？
Naffziger 氏は、AMD はメーカーに対し、電力が無駄にならないよう強く働きかけていると語った。Carrizo を使用するすべてのマシンでは、電力が不必要に浪費されないように、すべてのコンポーネントが適正なものでなければならない。
「我々はただ壁越しにチップを投げているわけではない」とマクリ氏は微笑んだ。®
