新時代到来！ ヘテロジニアス・コンピューティング最新動向【後編】：プロセッサ/マイコン（1/3 ページ）

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HSA対応APU“Kaveri”

　初のHSA対応APUとなった“Kaveri”は、CPUコアに第3世代のBulldozerアーキテクチャ“Steamroller”（スチームローラー）モジュールを採用するとともに、GPUコアを最新グラフィックスカードであるAMD Radeon R9 290Xと同等のGCN（Graphics Core Next）アーキテクチャに変更された。さらに、hUMAに対応すべく、CPUとGPUの内部バスも見直されている。

Kaveriは、CPUコアに第3世代のBulldozerアーキテクチャコアとなる“Steamroller”を採用 （クリックで拡大）

Steamrollerコアでは、キャッシュや分岐予測などの精度向上によってIPC（Instruction Per Cycle：1サイクルあたりの命令処理性能）を引き上げている （クリックで拡大）

GPUをGCNアーキテクチャベースに変更

Kaveriのアーキテクチャを説明するAMD CTOのジョー・マクリ氏

　HSA対応での最大の進化は、GPUをGCNアーキテクチャベースに変更したことだ。GCNアーキテクチャでは、16個のベクター演算ユニット（ALU）でSIMDユニットを組み、このベクターSIMDユニットを4基（計64SP：Streaming Processor、またはRadeon Core）と1基のスカラプロセッサ、4基のテクスチャフィルタリングユニット、16KバイトのL1キャッシュで構成されるCU（Compute Unit）を最小単位としている。GCNアーキテクチャでは、このCUごとに命令発効ユニットやロード／ストアユニット、16Kバイトの命令キャッシュと32Kバイトのデータキャッシュが搭載され、個々のCUで独立したカーネル処理を可能にする。また、CUに搭載されたスカラユニットは、フル機能の整数演算機能を備え、コントロールフローやAMD GPUの演算実行単位である「Wavefront」（64スレッドをまとめたもの）の制御を行うことでSIMDユニットを効率よく機能させることができる。

　GCNアーキテクチャでは、汎用並列演算処理のフロントエンドプロセッサとしてACE（Asynchronous Compute Engine）を搭載し、同ユニットが演算のためのスケジューリングや命令発行を制御する。Kaveriでは、最大8基のCUでGPUを構成し、それと同数のACEを搭載し、CUの汎用コンピューティング処理を効率よく利用できるようにしている。このACE 8基という構成は、同社のフラグシップGPUである、44基のCUを統合するRadeon R9 290Xと同じ数であり、KaveriがいかにGPUを使った汎用GPU演算に注力した設計をしているかが分かる。

Kaveriの第の47％を占有するGPUコアは、最新のGCNアーキテクチャになった （クリックで拡大）

GPUコアのコンピュート機能の核となるCUは、64基のALUをまとめたGPUクラスタだ （クリックで拡大）

CUに汎用並列処理命令の発効などを行うACE（Acynchronous Compute Engine）は8基搭載されている。この数は、同社のフラグシップGPUであるRadeon R9 290Xと同じ数だ （クリックで拡大）

もう1本の専用バス

　一方、内部バスの拡張では、CPUとGPUのメモリコヒーレンシを取るための専用バスを拡張している。従来のAMD-AシリーズAPU（Trinity/Richland）では、I/OコントローラとしてIOMMU v2（Input/Output Memory Management Unit）が搭載され、GPUがCPU側のメモリに仮想メモリアドレスでアクセスできるようにし、CPUとGPU間を256ビットの内部バス“Fusion Control Link（FCL）”で接続している。

　さらに、GPUとメモリコントローラを直接結び、より広帯域でのメモリアクセスを可能にする256ビット×2構成“Radeon Memory Bus”も用意することで、グラフィックス処理効率を引き上げている。これに対して、Kaveriでは、GPUとCPU間にさらにもう1本の256ビットバスが加えられている。これは、CPUとGPUのメモリコヒーレンシを取るための専用バス（コヒーレントバス）であり、CPUもしくはGPUがメモリを書き換えると、もう一方が書き換えられたメモリデータにアクセスできるようしている。ただし、CPUとGPU間でメモリコヒーレンシを取る必要がある場合は、お互いのメモリの同期に余分な時間を割く必要が生じる。このため、Kaveriでは従来のFCLはそのままに、もう1本の専用バスを加えることで、CPUとGPUがシームレスにメモリアドレス空間を共有できるようにしている。これこそが、HSAにおけるhUMAやhQに対応するためのハードウェア拡張といえる。

　これらの拡張により、KaveriではCPUが持つ119GFLOPSに、GPUの737GFLOPSを加えた、856GFLOPSという強力な演算性能を、一般アプリケーションにも利用しやすくなる。このため、AMDはKaveriに搭載されたCPUコアとGPU（CU）を“Compute Core”と称し、4つのx86 CPUコアと8基のCUを合計し、「12 Compute Core APU」をうたっている。

左＝Kaveriにおいて、hUMAやhQのサポートで重要な役割を果たすのがIOMMUv2だ。HSAでは、この役割をHSAMMUとし、SoCベンダーに同様の仕様を実装することを求めている。右＝12コンピュートコアをうたうKaveri （クリックで拡大）

12コンピュートコアとは、4つのx86 CPUコアと、8つのGPUクラスタ（CU）を示す （クリックで拡大）

Kaveriの856GFLOPSという演算性能において、そのほとんどをGPUが担っていることが分かる （クリックで拡大）