Opteron

概要

AMDが定義したAMD64命令セットを採用し、サーバ・ワークステーション用途を念頭に置いて開発されていた（Opteron Aシリーズを除く）。オプティオンとの日本語表記が正式発表されていたが、2003年4月22日以後に非公式ながらオプテロンに差し替えられている。英語表記からそうは読めないための改変だと思われる。
Athlon MPの後継にあたり、同社製コンシューマ市場向けプロセッサAthlon 64またはPhenomの上位モデルに位置付けられる。
コアは長くAMD FXと同系列であったが、新たにOpteron XシリーズでAMD APUと同系列のコアを、Opteron AシリーズでARMアーキテクチャの非x64/x86コアを採用した。
なお、Zenアーキテクチャ以降はOpteronの名は使用されなくなり、EPYCという新ブランドが立ち上げられた。

Athlon MPからの改良点

初代K8コア搭載モデルでのAthlon MPからの主な改良点は、メモリコントローラーの内蔵と、AMD64というx86命令を64ビット拡張した命令の実装の2点である。このAMD64では、ストリーミングSIMD拡張命令2 (SSE2) 相当のマルチメディア拡張命令も標準でサポートされ、後のモデルでは同3 (SSE3) も追加実装されている。
マイクロアーキテクチャーの改良も行われていて、フロントエンドでは分岐予測の改良を行っており、ローカル分岐予測については、命令キャッシュに組み込まれたBranch-Selectorを用いて行う。グローバル分岐予測器については、K7の4倍とも云われる、16K-entryの分岐履歴を保持できる。ただし、分岐先ターゲットバッファ(BTB)はK7と同じ数である。
命令パイプラインにも改良が入っており、デコーダについては、2分割命令まではダイレクトパスデコーダで扱えるように改良しており（K7ではダイレクトパスデコーダで扱えるのは分割しない命令のみで、2分割命令以上はすべてベクタデコーダで処理していた）、3分割命令以上がベクタデコーダでの処理となっている。
スケジューラーでは新たに"Pack"ステージを設けMACRO-OPのレーン切り替えを行っているようである(K7ではプリデコーダーが命令を投入するデコーダーを決定する段階で実行パイプラインのレーンが決まり、後の変更はされない)。
(リザベーションステーション)RSは3つに分かれており、それぞれのRSは8エントリー持ち、合計24エントリーのMACRO-OPを保持する。RSにはALUとAGUが対になって接続され、それが3本束ねられた状態と言える。
RSは1サイクルあたりで1entryのMACRO-OPを発行できる。つまり、ALUとAGUがMACRO-OP化されている状態のみ同時発行できるということだ。同じRSの異なるentryから、並列度を抽出してALUとAGPそれぞれへmicro-opの同時発行が出来ないので、6 micro-opが自由に発行可能という事ではない。ALUを使うmicro-opと、AGUを使うmicro-OPがMACRO-OPされていないと、パイプライン1本あたり1サイクルでALUかAGUどちらか1 つの発行になるため、合計3 micro-op発行が上限になる。異なるRSから、異なるRSに繋がれているALUとAGUに発行するのはもちろん無理だ。
その他、スケジューラエントリーの増加、物理レジスター数の増加、TLBエントリー増加なども行われている。
Athlon･AthlonXP/Duron･Sempronなどといった旧来のプロセッサは、集積度や歩留まりの問題などから、メモリコントローラー機能をチップセットに持たせていた。この構成ではチップセットを介することでメモリアクセス時のレイテンシが増え、キャッシュがヒットしていない状況ではCPU側の内部処理がアイドリング状態となりやすいなど、メモリアクセスに伴うオーバーヘッドが大きいという問題がある。そのため、チップセットのメモリコントローラーの処理能力がそのままCPUの処理能力のボトルネックとなっていた。そこで、AMDはOpteron、Athlon 64ともにメモリコントローラーをCPUに内蔵することで、「CPU→チップセット→メモリ→チップセット→CPU」となっていた経路を「CPU→メモリ→CPU」と短縮し、CPUのメモリ読み込み要求からデータ受け取りまでのレイテンシを大幅に低減させた。これは分岐予測の効きにくい、処理の複雑なアルゴリズムを持つアプリケーションや、アクセス回数の少ないデータをメモリ上で大量に取り扱うようなアプリケーションに絶大な効果をもたらす。またこの方式はアプリケーション側でソフトウェア修正などの対応を特に必要としないため、古いアプリケーションも新しいアプリケーションもメモリアクセスの頻度に応じて大きく高速化させることが可能である。一方、安全性の確保のため、CPUとメモリの組み合わせによっては、CPU内部動作周波数の逓倍率の関係から、メモリの動作周波数がSPDなどメモリモジュール側で規定される定格動作周波数よりも低くなってしまうことがあり、メモリ規格の変更がCPUソケット規格やCPUコアそのものの設計変更を必要とするという問題もあった。
また、チップセットにGPUが内蔵された、いわゆるオンボードGPUのケースでは、GPU→メモリ→GPUという経路からGPU→CPU→メモリ→CPU→GPUとなり、メモリコントローラがチップセット側からCPU側に移動した場合にオンボードGPU性能の低下がみられる点には留意すべきだろう。

Opteronの躍進・凋落

Opteronではサン・マイクロシステムズ、ヒューレット・パッカード、IBM、デルというアメリカの4大サーバメーカの採用を勝ち取った。特に過去のいきさつからインテル製CPUのみを採用し続け、インテルの水平分業モデルの優等生と言われたデルの方向転換は、大きなインパクトを与えた。
これは、インテルが過去の資産を全て無に帰してVLIW命令セットを基本とする別のアーキテクチャ (IA-64) を備える、x86に比べて高コストな64ビットCPUを普及させようとしたのに対し、AMDは十分に安価でこなれているx86プロセッサの処理能力を高める、というシナリオを望んでいた業界のニーズに的確に反応し、x86アーキテクチャを素直に64ビット拡張して、従来の16/32ビットアプリケーションもそのまま動作するAMD64のアーキテクチャを投入することにより、市場のニーズに合致した製品を出荷、これが4大メーカーの強い支持を受けるに至ったものである。また、Microsoft WindowsがAMD64対応を発表したことで将来性も安定したものとなり、普及に弾みが付いた。これによりIntelは、今までの互換プロセッサを作られる立場から、AMD64互換のCPUを作る立場となり、アーキテクチャの主導権をAMDが奪取したことは大きなインパクトを業界に与えた。
サーバ市場への参入は以前からのAMDの悲願であったが、Opteronの登場により大々的かつ広範囲の参入が可能となり、利益率の高いエンタープライズ市場でハイパフォーマンスCPUを高額で売ることによって収益を確保し、ボリュームゾーンであるコンシューマ市場での価格競争力を維持するという、Intelが採っているのと同様の収益構造を構築することが可能となった。
スーパーコンピュータ分野でも躍進を遂げ、2003年11月のTOP500においてOpteronを採用したロスアラモスのLightningシステムが5位と10位以内に初めてランキングされ、2005年11月には55システムで採用されIBMのPowerプロセッサに続き3番手のプロセッサとなった。その後も採用数は増加し2006年11月に113システムで採用されPowerプロセッサを上回りインテルに次ぐポジションを獲得した。2006年11月の22.6%をピークにシェアを減らしながらも2013年11月までランキングでは10%以上のシェアを維持していたが、2014年6月に9%、11月には5%まで下落し、その後も減少し続けスーパーコンピュータ分野における存在感を失った。

Efficient モデル

同一世代の Opteron のラインナップで通常モデルよりも低い TDP を保証するモデルで、モデル ナンバーの末尾に EE と HE を付けられる。EE は Energy Efficient、HE は Highly Efficient の頭文字である。これにより熱密度が大きくなりがちで冷却に制約のあるブレードサーバや1Uラックマウントサーバなどでの利用も容易となった。性能は通常モデルよりも若干低下するが、価格は比較的高価に設定されている。

Special Edition

また EE/HE とは逆に同一世代の Opteron のラインナップの最上位の位置付けとして高クロック、高 TDP 仕様の SE が存在する。SE は Special Edition の頭文字で、通常モデルに比べて TDP が若干高く設定されている。

各世代についての詳細

以下のCPUコアの名称はAMD内部での開発コードネームである。