AMD「Fusion」はCPUとGPUの密な統合を目指す

2011年03月22日 12時00分更新

汎用演算性能向上には
GPU側もCPUと一体化する必要がある

　その一方でGPU側も、単に3D描画用として使うだけではなく、もっと積極的に汎用的な計算を行なうためのプロセッサーとして、役割を拡大することを考えていた。もちろん、いきなりそちらに移行するのは無理だ。内部構造がそうした汎用演算には向いていないとか、命令インターフェースが独特すぎるなど、GPUの内部に起因する問題もある。

　だが、実はそれより根深い問題がGPUの接続である。GPUはグラフィックスカードというI/Oデバイスとして扱われているから、接続はPCI Expressの先になる。そのためGPUは、キャッシュコヒーレンシ性を持たない。これが何を意味するかというと、CPUのキャッシュメモリーから直接データを受け取ったり、逆にキャッシュに直接データを書き込んだり、あるいはキャッシュの更新を同期させることができない、ということだ。

　つまり、データは必ずメモリーを経由しての受け渡しが必須になり、これはGPUによるデータアクセスの遅延が、CPUに比べて非常に大きくなることを意味する。グラフィックス演算ではそれほど問題にならないが、GPGPUとして使う場合は何とかしないと、演算効率が上がらないことになる。

　ここまでくれば、CPUとGPUをうまく組み合わせることができれば、両方の問題を解決できると容易に想像できる。もちろん、現在のFusionはまだここからかなり遠い場所にいるが、あくまで今はその第一歩という位置づけである。

　組み合わせる場合、当然ながら「命令セットはどうなるのか？」という問題がある。これに対するAMDの最初の解は「SSE5」であった。SSE5は当初こそ全部CPUで処理されるが、長期的にはSSE5命令のいくつかを、GPU側でオフロード処理する方式を考えていた。その後、SSE5はインテルのAVXに歩調を合わせる形で発展的解消を遂げるが、完全に消えていないのは「XOP」という形で、AVXに加えて拡張命令を用意したことでも明らかだ(関連記事)。半精度浮動小数点変換など、GPUとの連携を考えなければまず不要な命令だからだ。

CPUとGPUの統合は
GPGPUにとってもいいことずくめ

　これらの前提をご理解いただいたうえで、マクリー氏によるFusionの未来像を説明しよう。マクリー氏はまず現行のFusionについて、GPUを内蔵したことで、GPUとメモリー間の帯域が3倍になって遅延が下がった。またパッケージも小型化される(同じサイズならより大きなGPUを統合できる)という具合に、いいことずくめであるとした(写真1)。

写真1　チップセット側にGPUを統合した従来の構造とFusion APUの比較。従来だとGPUがHT Linkを経由してアクセスする構造で、どうしても遅延が多めだった

　これはGPGPUの観点でも有利であり、前述の欠点の根本的な解決はまだできていないが、帯域や遅延の改善により、効果的な処理が可能になっている(写真2)。このGPGPUを扱うソフトウェアは、今のところは既存のソフトウェアのままだ。「OpenCL」や「DirectCompute」などのGPGPU用ミドルウェアを経由して、CPUとは別の形で扱うことを想定している(写真3)。