Zen (マイクロアーキテクチャ)

AMDの革新的なマイクロアーキテクチャ「Zen」

Zenは、AMDが開発したマイクロアーキテクチャであり、2017年3月に発売されたRyzenシリーズのCPUから採用されています。このアーキテクチャは、長らく停滞していたBulldozerアーキテクチャを刷新し、ゼロから完全に新しく設計されました。

設計における主な目標

AMDはZenの主な目標として、コアあたりのパフォーマンスの大幅な向上を掲げました。そのために、以下の様な革新的な設計と改善が施されました。

ライトバック方式のL1キャッシュ: 従来のライトスルー方式に比べて、レイテンシが低減され、帯域幅が拡大しました。
同時マルチスレッディング (SMT): 1コアあたり2スレッドを同時に処理できるようになり、以前のCMT（Clustered Multi-Thread）方式から大きく改善されました。
大容量の内部命令キャッシュ: 各コアは1サイクルあたり最大6つの整数演算と最大4つの浮動小数点演算を実行できるようになりました。
キャッシュメモリ帯域の増加: L1およびL2キャッシュで2倍、L3キャッシュでは最大5倍の帯域幅を実現しました。
クロックゲーティング: コアの利用状況に応じて動的にクロック周波数を調整し、電力消費を削減します。
分岐予測の改善: パーセプトロンを利用したより高度な分岐予測アルゴリズムが導入されました。
スタックエンジンの導入: インテルのHaswellやBroadwellと同様のスタックエンジンを使用し、スタックポインタの操作を効率化しています。
Move Elimination: 物理的なデータの移動を減らすことで、電力消費を削減します。
RDSEED命令への対応: 高性能なハードウェア乱数生成器を利用可能になりました。
DDR4 SDRAMへの対応: 最新のDDR4メモリ規格に対応し、より高速なデータ転送を可能にします。

各Zenコアは1クロックサイクルあたり4命令を実行でき、μOPSキャッシュから整数および浮動小数点スケジューラに命令を供給します。各コアには、2つのアドレス生成ユニット（AGU）、4つの整数・浮動小数点ユニット（FPU）が搭載されており、FPUのうち2つは加算器、残り2つは乗算器として使用されます。L1キャッシュは命令用に64KiB、データ用に32KiB、L2キャッシュは512KiB、L3キャッシュはコアあたり2MiBの容量を持ちます。

開発と歴史

Zenアーキテクチャの開発は、2012年8月にジム・ケラー氏の再雇用直後に計画されました。2015年に正式に発表され、ケラー氏は2015年9月に退職するまで、開発チームのリーダーを務めていました。

当初、ZenはK12プロセッサの後継として2017年に登場する予定でしたが、2015年にZenの設計を優先するためにK12の開発が遅れることになりました。2015年11月にはテストが完了し、ボトルネックがないことが確認されました。2016年6月には、Samsungが14nm FinFETプロセスでの製造を担当することが発表されました。

前世代との比較

Zenアーキテクチャは、Bulldozerアーキテクチャとは全く異なり、ソフトウェアのパフォーマンスを向上させるために、大幅な変更と強化が加えられています。特に、Intelプロセッサ向けに最適化されたソフトウェアでの性能向上を重視しています。

製造プロセス

Zenアーキテクチャは、14nmおよび12nm FinFETプロセスで製造され、以前の32nmおよび28nmプロセスよりも歩留まりが向上しています。

パフォーマンス

Zenは、コアあたりの性能向上のため、クロックあたりの命令実行数(IPC)をExcavatorと比較して40%以上向上させることを目標としていました。最終的には52%ものIPC改善を達成しました。SMTによるマルチスレッド処理により、スループットが向上し、より多くのリソースが利用可能になりました。

また、Zenベースのプロセッサは、内蔵センサーを使用して周波数と電圧を動的に制御し、冷却能力に余裕がある場合には設定されたブースト周波数を超える動作が可能です。AMDは、8コア16スレッドのZenプロセッサが、BlenderやHandBrakeのベンチマークで、同クロックのIntel Broadwell-Eプロセッサよりも優れた性能を発揮することを実証しています。

メモリ

Zenは最大8チャネルのDDR4メモリをサポートしており、大量のデータ転送を効率的に行えます。

電力消費と熱出力

Zenベースのプロセッサは、AMD FXや旧世代APUよりも消費電力と熱出力が削減され、同等の電力消費と熱出力でより多くの演算が可能になりました。クロックゲーティング機能やSenseMIテクノロジーにより、コアの利用状況に応じて周波数を動的に制御し、電力消費を効率的に抑えています。

セキュリティと仮想化支援

Zenアーキテクチャには、Secure Memory Encryption（SME）とSecure Encrypted Virtualization（SEV）が導入されています。SMEは、システム起動時にメモリをリアルタイムで暗号化し、データスヌーピングやコールドブートアタックから保護します。SEVは、仮想マシンのメモリを暗号化することで、仮想環境におけるセキュリティを向上させます。

接続性

Zenは、SATA、USB、PCI Express、NVMeなど、サウスブリッジの多くの機能をSoCに統合しています。また、Radeon Instinctの発表において、Naplesというコードネームで呼ばれるZenベースのCPUが、ディープラーニングシステムの構築に最適化されることが発表されました。このCPUは、PCI Expressを最大64レーン提供し、Instinctカードを最大4枚接続できます。

製品群

Zenは、デスクトップおよびノートPC向けにRyzenやAPUとして、サーバー向けにはEPYCというブランド名で展開されています。

Zenアーキテクチャは、Bulldozerアーキテクチャの失敗を教訓に、AMDが再び競争力を取り戻すための重要なステップとなりました。その革新的な設計と高い性能は、多くのユーザーから支持を得ています。

外部リンク

* 「Zen」コア・アーキテクチャー - AMD

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