AMDのLisa Su(リサ・スー)CEOが半導体カンファレンスで発表 AMDの目指すゴールは、完全な3D統合ソリューションだ。CPU、GPU、DRAM、NVM(Non-Volatile Memory:不揮発性メモリ)など、すべてを１パッケージに統合する。3D積層技術を使って、チップ同士を積層し、チップサイズのパッケージの中に、コンピュータが必要とする全てを搭載する。言い換えれば、3Dスタッキングで究極のシステム統合を実現する、これがAMDの野心だ。 AMDのLisa Su(リサ・スー)氏(President and Chief Executive Officer,AMD)は、米サンフランシスコで開催された半導体学会「IEDM(IEEE International Electron Devices Meeting)」で、同社の技術ビジョンを発表した。IEDMは半導体のデバイス技術の学会であり、ファブレスの半導体チップメーカーであるAMDが基調講演にあたるプレナリセッションを行なうことは珍しい。もっとも、スー氏自身は「IEDM Best Student Paper」を取ったことがあり、IEDMとのつながりは深い。 スー氏は、過去10年ほどのCPUとGPUの性能は、サーバーCPUで約2.4年に2倍(SPECInt_rate2006)、GPUで約2.1年に2倍(単精度浮動小数点演算)のペースで向上して来たと説明。下の図のサーバーのベンチマークは、マルチコア向けの並列化したSPECInt_rateなので、コア数の増加も反映している。また、システムレベルでのサーバーの性能/電力も約2.4年に2倍のペースの向上だったと語った。言い換えれば、マルチコアCPUとGPUの性能/電力は、過去10年の間は、1.5～2年で2倍の性能向上だった以前と比べるとかなり鈍化しながらも、それでも一定のペースで延びてきていたことになる。下がIEDMでスー氏が示したベンチマーク結果だ。

プロセス技術だけでは性能が向上しなくなった これをさらに細かく見ると、過去10年の間にプロセス技術は45nmから32nm、20/22nm、16/14nmと移行した。しかし、トランジスタ密度とテクノロジレベルでの電力効率は、約3.6年に2倍ずつしか向上していないとスー氏は説明する。かつてはプロセス技術によってプロセッサの性能が、約1.5年に2倍のペースで向上していたのが、過去10年はそうならなくなってた。 プロセス技術だけではプロセッサの性能向上のペースは大幅に落ちた。その状況で、AMDは2.4年で2倍のペースで性能を伸ばしてきた。ここに、乖離が見られる。AMDは、過去10年間はシステムアーキテクチャやソフトウェアなど、さまざまなアプローチで性能のギャップをカバーして来たと言う。 AMDによると、2.4年で2倍の性能向上のうち、半導体技術による向上はCPUで40%程度、GPUで35%程度だったという。では、どうやって残りの60%以上の性能向上を実現したのか。スー氏によると、次のような改良がなされたという。まず、ダイサイズの大型化、TDP(Thermal Design Power:熱設計消費電力)の引き上げといった力技的なアプローチ。加えて、プロセッサのマイクロアーキテクチャの改善とコンパイラ技術の改良、そして電力管理の強化だ。

サーバーではマルチダイ化によって性能を引き上げ AMDによると、サーバーCPUのTDPは、過去に年あたり約7%強ほど漸増させて来たという。GPUについてはそれ以上のペースで上げて来た。電力の内訳では、コンピュテーション以外の比率がかなり高いことがわかる。ダイサイズについては、とくにサーバーCPUで急激に伸ばしてきた。これは、AMDの場合、MCM(Multi-Chip Module)技術によるマルチダイ構成を取り始めたからだ。2010年代からは、AMDのハイエンドサーバーCPUはマルチダイとなり、300平方mmクラスのダイを2個、1パッケージに封止するようになった。合計するとダイサイズは600平方mm越えとなる。下の図はそれを反映している。 このように、AMDは、ダイサイズを拡張(マルチダイ構成)し、TDPも引き上げることで、プロセス技術の向上の鈍化を補って性能を向上させた。ダイサイズの拡大は、CPUコア数の増大を意味している。現在は、CPUコアの性能を、電力効率を維持しながら引き上げることが難しい。そのため、サーバーCPUでは、パッケージあたりのCPUコア数を増やす方向へと向かっている。結果としてダイサイズが増大してきた。

マイクロアーキテクチャやシステムアーキテクチャ、省電力 しかし、マルチダイにしてTDPを引き上げても、プロセス技術と合わせて、目指す性能向上の60%にしかならない。残りの40%の性能向上はどうしたのか。AMDによると、1つはプロセッサのマイクロアーキテクチャやシステムアーキテクチャの拡張、もう1つは電力管理の強化、加えてコンパイラの最適化だという。 アーキテクチャ面では、CPUコアについては、K10系からBulldozer(ブルドーザ)系、そしてZEN系へと強化して来た。Bulldozerもシングルスレッド性能ではパッとしなかったが、ダイと電力当たりの性能効率は向上した。GPU側では、GCN(Graphics Core Next)系へとアーキテクチャを大きく変えて、性能効率を進化させた。また、システムアーキテクチャでは、周辺機能の統合によるSoC化を進めてきた。 電力制御は、AMDで過去10年間に大幅に高度化した要素だ。AMDは、さまざまな省電力機能をCPUコアやGPUコア、APU(Accelerated Processing Unit)全体に盛り込んできた。パワーゲーティングやクリティカルパスモニタ、ドループ対策回路、CPUコア単位の電圧制御など、最近のAMDの開発努力の多くが省電力機能に費やされている。最新のサーバーCPUの「Epyc」では、省電力制御によって電力消費を54%にまで抑えているという。