ロードマップでわかる！当世プロセッサー事情 第496回

AMD CPUロードマップ 　ダイの大きさから考察する第3世代Ryzenの構造

ダイの構造から考えられる
3次キャッシュの大容量化

　CPUダイが78mm²、I/Oダイが132mm²という面積をどう考えるかであるが、もともとのZenのダイ(210mm²)と比較するとかなり大きい、というのが筆者の偽らざる印象である。

　下の画像はZenのダイの内部であるが、赤く囲んだCCX(Core Compulex：CPUコアのクラスター)の面積はだいたい47.5mm²ほどになる。これが2つで95mm²という計算である。

Zen 2のダイ内部。赤枠の部分がCCXである

　連載484回でも示されているように、TSMCの7nmプロセスはラフに言ってGlobalfoundriesの14nmプロセスの倍のトランジスタ密度(配線密度と言っていないところが肝ではあるが、その話はおいておく)なので、このCCXの構造そのままに7nmに移行した場合、それこそ47.5mm²程度で収まらないとおかしいことになる。

　実際にはFPUの帯域を倍増する)などの変更もあるため、もう少し大きくなるかもしれないが、それでも50mm²強といったところだろう。

　このZen 2の構造の場合、CPU側のダイは8コア分のCCX+インフィニティ・ファブリックのPHYのみが搭載される構造になる。するとインフィニティ・ファブリックのPHYが27mm²も占めることになってしまう。いくらなんでもこれは大きすぎる。

　では他になにか拡張があり得るか？　1つ可能性としてあるのは、3次キャッシュの大容量化である。現在はCCXあたり8MB(つまりダイあたり16MB)になっているが、これを倍増したらどうなるか？　というのが下の画像である。

Zen 2の3次キャッシュを倍増するとこうなる。とりあえず3次キャッシュの部分をそのまま2つ並べただけなので、仮にこれをやったとすると、もう少し小さくなる気はする

　この16MBの3次キャッシュ(つまりダイあたり32MB)の構成の場合、CCXあたりの面積は14nmで72.2mm²ほどになる。7nmを利用すれば、CCXが2つで72～73mm²というあたりになり、するとインフィニティ・ファブリックのPHYが5～6mm²という計算になる。

　少なくともインフィニティ・ファブリックが27mm²を占めるというストーリーよりもこちらの方がはるかに現実味があるだろう。

　なぜ3次キャッシュを倍増させるかといえば、FPUの256bit化への対応である。つまり1サイクルあたりが扱うデータの量がZen世代から倍増しており、これに向けてロード/ストアーユニットも256bit化されているわけだが、本来ならばこれにあわせてメモリーアクセスの帯域も倍増させないとメモリーがボトルネックになる。

　ただこれを解消するためにはDDR4のチャネル数を倍増させないといけず、これは難しい。そこで解消はされないにしても緩和する方法が3次キャッシュの大容量化である。

　AMDは公式には3次キャッシュの容量についてなにも言っていない(増やすとも増やさないとも言及していない)が、ダイサイズから考えるとけっこうありそうな気がする。

I/Oダイサイズの132mm²は
妥当な数値

　ついでにI/Oダイについても話をしよう。先の計算では、14nm世代でCCXが1つあたり47.5mm²なので、CCXを2つ除いた残りの部分のダイサイズは115mm²程度になる。

　Zen世代のダイになく、Zen 2世代のI/Oダイにあるものはインフィニティ・ファブリックのI/Fである。前述の3次キャッシュ倍増の試算が正しいとすれば、インフィニティ・ファブリックに要するダイ上のエリアサイズは7nmプロセスでだいたい5mm²程度。14nmで倍増するとしても10mm²ほどになる。

　そうなると、I/Oダイにインフィニティ・ファブリックのI/Fを2つ搭載すると、合計のダイサイズは135mm²程度になる計算で、上に示したおおむね132mm²、という寸法にかなり近くなるかたちだ。

　実際にはI/Oダイでは他にPCI Express Gen3→PCI Express Gen4への移行といった要件もあるが、こちらはダイサイズそのものが大きくなる要素はあまりなく、PHYの周辺だけドライバー部でトランジスタ数が多少増える程度であろう。

　逆にZenの世代ではPCI Expressはインフィニティ・ファブリックと共用の形になっていたが、Zen 2ではPCI ExpressのPHYはPCI Expressのみなので(EPYC用のI/OダイはCCIXへの対応が必要だが、Ryzen向けにはCCIXのサポートはおそらくないだろう)、むしろエリアサイズが減っている可能性すらある。そう考えると、132mm²という寸法は妥当なのではないかと思う。