Sandy Bridgeのダイ写真
IDF 2010の目玉のひとつは、次世代マイクロアーキテクチャーの「Sandy Bridge」だ。今回は細かいセッションの情報から、Sandy Bridgeの概要をお届けする。
Sandy Bridgeの4大特徴とは？
Sandy Bridgeの特徴を簡単にまとめると以下のようになる。
- グラフィックスプロセッサー(以下GPU)をCPUダイに統合し、CPUコアとGPUでキャッシュを共有させて、より効率的な実行を可能にしたこと。
- 256bit幅のSIMD演算命令である「AVX」を装備していること。
- ビデオエンコードなどのアクセラレーターを装備して、特定の処理に関して高速化していること。
- ターボ・ブーストが強化され、より高いクロックでの実行が可能なこと。
図1 Sandy Bridge全体のブロック図(インテル資料より引用、以下同)。同一ダイ内にCPUコアと周辺回路(System Agent)、GPUを集積する
図1はSandy Bridgeのブロック図だ。Sandy Bridgeの内部は大きく4つに分けられる。CPUコア、LLC(Last Level Cache)、GPU、そしてSystem Agentだ。System Agentは従来のチップセットが持っていた機能に対応するもので、この中にメモリーコントローラー(IMC、Internal Memory Controller)がある。
System AgentとLLC、GPUはリングバスで接続されており、CPUコアやGPUはキャッシュを通して、このリングバスでSystem Agentと接続してメモリーアクセスを行なう。LLCは各コアごとに作られているが、リングバスで接続されているため、インテルはこれを共有キャッシュだとしている。
リングバスによる接続部分はSandy Bridgeの中心ともなる機構で、この構成から「橋」(Bridge)という名称につながったのだと言われている。
改良されたCPUコア
図2 コア部分の簡単なブロック図。大きくインオーダー部とアウトオーダー部に分かれる
まずはCPUコアから見ていこう。図2がCPUコア全体のおおまかなブロック図だ。CPUコアは、インオーダーの部分とアウトオブオーダーの部分に大きく分かれる。インオーダー部分には、キャッシュから命令を取得してμOPSに変換するフロントエンド部と、μOPSをアウトオブオーダー部に送り込み、実行終了を確認する部分からなる。
アウトオブオーダー部は、インオーダー部から来たμOPSを依存関係などを見ながら実行していくスケジューリング部と、実際の計算を行なう実行ポート、データキャッシュなどからなる。
命令のフェッチからデコードまでは、これまでのCore 2やNehalemアーキテクチャーに対して強化されている。まず、一旦変換したμOPSをキャッシュしておく「μOPキャッシュ」(1500μOPSを格納)があり、ループなどの場合には、再度x86命令をデコードすることなく実行される。このあたりの制御は、ここにある「Branch Predictor」(分岐予測器)が制御する。
またSandy Bridgeでは、μOPキャッシュがヒットし続けている間、1次キャッシュからデコーダーまでの電源を落として、消費電力を下げられる。デコーダー部分は新命令(AVX命令)もあるため、大きく変化していると思われるが、プレデコード、キュー、デコーダーという並びは変わっていない。
こうしてμOPSとなった命令は、「Allocation/Rename/Retirement」部分に入る。ここでは、以下のアウトオーダー部分へ命令を発行していく。なおSandy Bridgeでは、レジスターリネーミングの機構に「Retirement Register File」ではなく「Physical Register File」(物理レジスターファイル)を採用しているため、データのコピーはひとつだけで、処理後にデータを移動させる必要がない。
AVXが256bit幅の演算に対応しているため、浮動小数点関連の演算ユニットは、これまでの倍幅の256bit幅になっている。これにより、浮動小数点の乗算などを高速に処理することが可能になっている。
また、データのロード・ストアも強化されており、クロック1サイクルあたり最大2つの読み出しと、ひとつの書き込み(各最大16byte)を可能にしている。キャッシュメモリーは32KB×8Wayの1次データキャッシュ、256KBの2次データキャッシュ(MLC、Mid Level Cache)をコア内に持つ。
図3は詳細なブロック図で、黄色い部分がSandy Bridgeで改良された部分になる。
図3 詳細なコア部分のブロック図。黄色の部分がSandy Bridgeで改良、強化された部分
