AMD Accelerated Processing Unit

AMD Accelerated Processing Unit  とは、AMDが2006年から開発を行なっている、CPUとGPUとを合成・統合させた新しい製品の名称である。AMDはもともとCPUおよびチップセットを手がけるメーカーだったが、このAPUの計画は、AMDによるATIの買収により浮上した。AMD APUの当初の開発コード名はAMD Fusion であり、2011年の正式製品発表当初は「AMD Fusion APU」と表記されていたが、2012年後半以降、AMDは単に「APU」と呼称している。

1. ロードマップ
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AMD APU製品のロードマップを以下に示す。



2. GPUコンピューティングにおけるAPUとHSA
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旧来のGPUはグラフィック処理に関する機能のみに特化していたが、プログラマブルシェーダーの出現以降、汎用性に関してもその能力を拡大させてきた。GPUの高い並列処理性能を汎用処理にも活用し、コプロセッサ的な役割をさせる取り組みがGPGPUである。AMDも早くから自社GPUを活用したストリームプロセッシング技術  を開発・実用化し、普及に取り組んでいたものの、競合となるNVIDIAのほうが統合開発・実行環境CUDAの整備によって普及率の点で先行していた。

GPUは並列処理に特化することでCPUをはるかに超える理論演算性能を実現しており、それを汎用処理に活用するのがGPGPUのコンセプトだが、従来のCPUとGPUとはメモリ空間が完全に独立しており、CPU-GPU間のメモリ転送にかかる処理時間およびプログラミング上の手間が、性能のボトルネックやソフトウェア開発の難しさにつながるという問題も抱えている。たとえばGPUで演算した結果をCPUで読み出して利用する場合、従来アーキテクチャではGPUメモリからCPUメモリへのデータ転送が必要となる。これは物理的にメモリが分離されているディスクリートGPUとCPUによる構成だけでなく、従来型のオンボードグラフィックスやCPU内蔵GPUといった、物理メモリを共有する構成においても同様である。

AMDはこの問題をハードウェアレベルで根本的に解決する道として、開発コードAMD Fusionのもとに、GPUをCPUと統合するFusion System Architecture  構想を掲げることになる。GPUとCPUを統合することで、物理的にも論理的にもメモリ空間が統一され、煩雑なCPU-GPU間のメモリ転送をなくすことができる。

なおAMDは、2012年からはFSAをHeterogeneous System Architecture  構想へと改称し、さらにHSAの実装形態であるAMD Fusion改めAMD APUをもってして、異種計算資源混在環境をターゲットに据えた標準API規格「OpenCL」およびヘテロジニアスマルチコアテクノロジーによるCPUとGPUの融合を推進している。

Kabini/Temash世代以降ではGraphics Core Next  世代のGPUを搭載し、Mantle APIにも対応した。

また、HSAの完成形を支える要素技術のうち特に重要なものとして、CPU/GPUのメモリ一貫性やGPUページフォールトのサポートを実現する heterogeneous Uniform Memory Access  が挙げられるが、hUMAに対応するAPUはKaveri世代以降である。

その他、HSA環境ではHSAIL  と呼ばれる中間言語によって、ハードウェアの違いを吸収できる。コンパイラ側がHSAIL生成に対応することにより、OpenCL CやC++ AMPといった並列コンピューティング向けの専用言語だけでなく、Javaのような仮想マシンベースの汎用言語でもHSA環境で動作するプログラムを記述できることになる。

3. 他社製品への影響
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Intelは、Intel AtomおよびWestmere世代のClarkdaleでCPUにGPU  を内蔵し、Sandy Bridge世代以降でCPU内蔵GPUの性能を大幅に向上させた。以降は従来型のオンボードグラフィックスの代替として、内蔵GPUは標準的な機能となった。NVIDIAも自社GPUであるGeForceをARMプロセッサと統合したNVIDIA Tegraシリーズを開発・販売している。

HPCなどでGPGPUの絶対性能を追求する場合、統合GPU  よりも単体GPU  とCPUによる構成のほうが依然として有利であることには変わりないが、AMD APUのような統合製品はノートPCやモバイル環境を考慮して、省電力性能やワットパフォーマンスを重視した設計となっている。

ゲーム機ベンダーでは独自チップの開発コストが高騰していたため、主にコスト削減の目的で統合型のチップが求められた。Xbox Oneは、AMD APUを採用し、PlayStation 4は、当初Intelと開発を進めていたが、AMD APUに切り替えられた。

4. 製品
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以下ではデスクトップパソコンとノートパソコン向けのAPUのうちA-シリーズおよびその後継製品の主なものについて世代ごとに記述する。特に省電力ノートやタブレット向けのUltra-mobile APUと呼ばれる製品が省略されているため、ここではC-シリーズやE-シリーズについての記載は割愛されている。

4.1. Llano 
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2011年7月に発売された製品群。CPUはAMD K10を改良したアーキテクチャ。

製造プロセスルール: 32   nm SOI
L1 キャッシュ: 128 KiB 各コア独立
L2 キャッシュ: 1024 KiB 各コア独立
対応ソケット: Socket FM1
MMX, Enhanced 3DNow!, SSE , AMD64, NX Bit, AMD-Vモバイル向け

MMX, Enhanced 3DNow!, SSE , AMD64, NX Bit, AMD-V, Turbo Core

4.2. Trinity 
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2012年10月に発売された製品群。CPUアーキテクチャはPiledriver。

製造プロセスルール: 32   nm SOI
L2 キャッシュ: 2 MB×2
対応ソケット: Socket FM2
MMX, SSE , AES, AVX, BMI1, F16C, FMA , TBM, XOP, AMD64, NX Bit, AMD-V, Turbo Core 3.0

4.2.1. モバイル向け
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MMX, SSE , AES, AVX, BMI1, F16C, FMA , TBM, XOP, AMD64, NX Bit, AMD-V, Turbo Core 3.0

4.3. Richland 
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2013年6月から発売された製品群。前世代のTrinityのマイナーチェンジ版。Trinity世代から、製造プロセスは32 nm、CPUアーキテクチャはPiledriver、CPUソケットはFM2で変化はなくスペック上の主な違いは動作クロックのみ。

4.3.1. デスクトップ向け
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製造プロセスルール: 32   nm SOI
L2 キャッシュ: 2 MB×2
対応ソケット: Socket FM2
MMX, SSE , AES, AVX, BMI1, F16C, FMA , TBM, XOP, AMD64, NX Bit, AMD-V, Turbo Core 3.0

4.3.2. モバイル向け
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4.4. Kaveri 
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2014年1月から発売された製品。CPUアーキテクチャはSteamrollerへと代わり、製造プロセスも32 nmから28 nmに移行した。CPUとGPUをより統一的に扱う技術「HSA」に対応した。特にHSAのhUMAに対応した点が特徴。Kaveriからオーディオプロセッサ「AMD TrueAudio」を統合した。また、GPUアーキテクチャはTeraScale   からGCNへと代わった。これに伴い、新しいグラフィックスAPI「Mantle」に対応した。この世代から内蔵GPUはHD 8670Dといった型番で公表されず、R7のようなシリーズ名のみとなった。

製造プロセスルール: 28   nm
L2 キャッシュ: 2 MB×2
対応ソケット: Socket FM2+
MMX, SSE , AES, AVX, BMI1, F16C, FMA , TBM, XOP, AMD64, NX Bit, AMD-V, Turbo Core 3.0

4.4.1. モバイル向け
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対応ソケット: Socket BGA 
MMX, SSE , AES, AVX, BMI1, F16C, FMA , TBM, XOP, AMD64, NX Bit, AMD-V, Turbo Core 3.0
PowerNow!, Enduro technology

4.5. Godavari 
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2015年6月に発売された製品群。開発コードネームをKaveri Refreshとしていた時期もあった。Kaveriの改良版。スペック上主に変化したのは動作クロックのみ。同時期に発表されたCarrizoがモバイル向け、Godavariがデスクトップパソコン向けとなる。

製造プロセスルール: 28   nm
L2 キャッシュ: 2 MB×2
対応ソケット: Socket FM2+
MMX, SSE , AES, AVX, BMI1, F16C, FMA , TBM, XOP, AMD64, NX Bit, AMD-V, Turbo Core 3.0
A10-7890KにはAMD Wraith Coolerが付属する。また、A10-7870Kも新しいAMD Wraith Coolerに近い静穏性のクーラーが付属するようになる。
A10-7870KおよびA8-7670Kはダイとヒートスプレッダがハンダにより接合されていることが確認されている。

4.6. Carrizo 
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2015年6月に発売された製品群。CPUアーキテクチャはExcavator。TDPの低いモバイル向けのみ。

製造プロセスルール: 28   nm
L2 キャッシュ: 2 MB×2
対応ソケット: Socket BGA 
MMX, SSE , AES, AVX, AVX2, BMI1/2, F16C, FMA , TBM, XOP, AMD64, NX Bit, AMD-V, Turbo Core 3.0
UVD6, TrustZone, InstantGo , HSA 1.0

4.7. Bristol Ridge 
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2016年9月に発売された製品群。CPUアーキテクチャはExcavator。



4.8. Raven Ridge 
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2017年10月に発表された製品群。CPUアーキテクチャはZen。CPUアーキテクチャの刷新によりCPUコアあたりの性能が向上した。上位モデルにはRyzen、下位モデルにはAthlonのブランド名がついている。

4.8.1. デスクトップ向け
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製造プロセスルール: 14   nm
対応ソケット: Socket AM4
L1キャッシュ合計: 384 KB  または192 KB 

4.8.2. モバイル向け
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製造プロセスルール: 14   nm
対応ソケット: Socket FP5

4.9. Picasso 
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2019年1月/2019年6月に発表された製品群。CPUアーキテクチャはZen+。上位モデルにはRyzen、下位モデルにはAthlonのブランド名がついている。Athlon 3000G のCPUアーキテクチャはZenで製造プロセスルールとしては14nmになっている。

4.9.1. デスクトップ向け
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製造プロセスルール: 12   nm
対応ソケット: Socket AM4
L1キャッシュ合計: 384 KB  または192 KB 

4.9.2. モバイル向け
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製造プロセスルール: 12   nm
対応ソケット: Socket FP5

4.10. Renoir 
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2020年1月、2020年7月に発表された製品群。CPUアーキテクチャはZen2。

4.10.1. モバイル向け
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製造プロセスルール: 7   nm
対応ソケット: Socket FP6

4.10.2. デスクトップ向け
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OEM向けのみだが、Ryzen 7 PRO 4750G、Ryzen 5 PRO 4650G、Ryzen 3 PRO 4350Gは日本においてのみバルク発売された。
製造プロセスルール: 7   nm
対応ソケット: Socket AM4

4.11. Dali 
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2020年1月に発表された製品群。CPUアーキテクチャはZen。

4.11.1. モバイル向け
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製造プロセスルール: 14   nm
対応ソケット: Socket FP5

4.12. Cezanne 
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2021年1月にLucienneと共に一般モデルが、同年3月にPROモデルが発表された。CPUアーキテクチャはZen 3。

モバイル向け

製造プロセスルール: 7   nm
対応ソケット: Socket FP6

4.13. Lucienne 
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2021年1月にCezanneと共に発表された。CPUアーキテクチャはZen 2。

モバイル向け

製造プロセスルール: 7   nm
対応ソケット: Socket FP6

5. 関連項目
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OpenCL
AMD
AMD Radeon
AMD Accelerated Parallel Processing
インテル
Intel Iris Pro Graphics
Intel HD Graphics
NVIDIA
NVIDIA Tegra
CUDA

6. 脚注・出典
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7. 参考文献
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8. 外部リンク
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