猛獣Zen 5のIPCが16％向上したのは実行ユニットに餌を与え続けた成果　AMD Tech Dayレポート

2024年07月17日 13時00分更新

　AMDはデスクトップ向けの「Ryzen 9000シリーズ」を（北米時間の）7月31日に発売する。これに先立ちAMDはロサンゼルスにて「AMD Tech Day」を開催。特に同社が力を入れる「Ryzen AI 300シリーズ」を含めた新技術への説明会を開催した。

　本稿はそのTech Dayレポートの第3回目となる。第1回はRyzen 9000シリーズの発売日やスペック、新チップセットの話を、第2回はRyzen 9000シリーズに追加された新しいチューニング技法を解説した。

　そして今回はいよいよZen 5アーキテクチャーの詳細に踏み込んでいく。AMDはCOMPUTEXにおいて、Zen 5はZen 4よりも同コア数＆同クロック設定で平均16％のIPC（クロックあたりの命令実行数）向上を果たしたと説明した。この数字はいったいどういう設計上の工夫や改善からもたらされたのか？　簡単ではあるが解説していきたい。

General SessionでZen 5の解説を担当したEVP兼最高技術責任者であるMark Papermaster氏

Zen 4に対するIPC向上率は平均16％というデータ。これはCOMPUTEX発表時と完全に同じデータを使用している

keep the beast fed
（猛獣に餌を与え続ける）

　AMDによれば、Zen 5はこれから数世代に渡るアーキテクチャーの基盤となるべく、オーバーホールが施された。このオーバーホールは「フロントエンド」「整数実行」「ロード＆ストア」「浮動小数点ユニット」の4つの部分に帯別できる。

　まずフロントエンドでは従来よりも高精度かつ低レイテンシー、そしてスループットの高い分岐予測が実装された。ここを改善すれば処理の無駄を減らしワットパフォーマンスも改善する。Zen 5では命令キャッシュとマイクロOPキャッシュをデュアルポート化、すなわち2つ並列で動くようにしたおことで1サイクルあたりの予測回数を増加させている。

　また、命令のデコードもデュアルパイプ化されている。結果として実行ユニットに命令を渡すディスパッチもサイクルあたり6命令から8命令へ拡張された。こうしたフロントエンド部分の改良は、後段に控える実行ユニットを遊ばせない（ストールさせない）ための改善であり、AMDはこれを「keep the beast fed（猛獣に餌を与え続ける）」と呼んでいる。

フロントエンド部分。後段の実行ユニットに絶え間なく餌（命令）を供給するため、至るところで並列化された。ディスパッチはZen 4の6命令から8命令に拡大されている

　整数演算実行ユニットは1サイクルあたり最大6命令のディスパッチ/ リタイアをサポートし、4基のALU（Arithmetic and Logic Unit）を備えていたが、Zen 5では最大8命令のディスパッチ/ リタイアに6基のALUという構成に拡張された。

　これらの強化ポイントをしっかり動かすためには、スケジューラーの改善も必要になる。Zen 4では4基のALUに対し4基のスケジューラーがあったのに対し、Zen 5では統合スケジューラー（Unified Scheduler）となった。実行ウインドウもZen 4の320命令から448命令に拡大している。

整数演算実行ユニット部分。フロントエンド部分でより多くの命令を実行ユニットに供給できるようになったため、下流（AMDのたとえ話で言うところの野獣）にある部分、ここではディスパッチ/ リタイアやALU等を増やしてスループットを上げよう、という話

ここまでの図を見て、Zen 4ってどうだったっけ？　という方向け（筆者含む）にZen 4の解説資料も引用しておこう

　浮動小数点実行ユニットにも強化が入った。Zen 5ではついにAVX512において512bit幅での処理に対応。Zen 4ではAVX512を実行する際クロックを落とさないために256bitずつ2サイクル実行（Double pumping 256bit pipeline）だったものを、512bitの1サイクルでAVX512を実行できるようになった。

　このAVX512実行中であってもCPUの動作サイクルを下げる必要はない（ペナルティーなしにAVX512が使える）という点は非常に魅力的だ。さらに浮動小数点加算（FADD）のレイテンシーを3→2サイクルに短縮している。