AMDがIntelに勝てないわけ（スペック）

質問

AMDは８コア８スレッド。Intelは４コア４スレッド。
なのにコア数で勝っているAMDがIntelに勝てない理由はなんですか？
詳しく教えてほしいです。

回答No.6

parts

これは、難しい質問です。

基本的な面で言えば、AMDはIntelとは目指すものが違うというのは、間違いです。元々AMDはK7～K10までインテル以上の性能を求めて開発してきました。今は、Phenom以降で失敗したことが響いて、方向性を変えたと思われているに過ぎません。これがbulldozerの失敗です。

プロセッサアーキテクチャにおいて性能の指標となるのは、IPC（Instruction Per ClockまたはCycle）です。要は、1Hz辺りでどれだけの命令を実行できるかを示します。最近のx86プロセッサは、Out-Of-Orderと呼ばれる投機的処理を使っていますが、これをパイプラインと呼ばれるステージ毎に分けていくつかの役割分担で処理しています。
分かり易く言えば、本来であれば命令１、命令２、命令3という順番で実行しますが、これが順番に届くとは限りません。そこで、命令１の次に届く命令が３だったとしても、実行してしまおうというのが、Out-Of-Orderです。これを投機的というわけです。
（それに対して、必ず実行順序を待って実行するのをIn-Orderと言います。）

Out-Of-Ouderを確実にするために、命令の順序をある程度まとめる分岐予測ユニットと呼ばれる回路を介して、いくつかの命令をさらに１つに統一する機能が搭載されています（インテルではμOP、AMDではRISC86と呼んでいた）。さらに、それを効率化するために、続けて処理できる命令はパッケージにまとめています。（これをFUSIONなどと呼ぶ。）これで、もし分岐予測に失敗した場合は、その命令は再び、最初のステージに戻され、違う分岐に回されて統合されます。これが、いわゆるミスとなります。ミスが多ければ、同じ周波数でも演算は遅くなるのです。

さらに言えば、FUSIONではいくつかのプログラムを束ねて演算することが出来ます。束ねるのがうまくいけば、速度が上がるのです。

演算回路は先に述べたようにパイプラインステージで繋がっており、例えば１＋１、1×１、1÷１という演算を一つの命令にまとめたものを、１つのクロックで同時に実行できるSIMDという技術に対応しています。厳密には１クロックではありませんが、リンゴを流し込んだらベルトコンベアに流れている間に、水洗い、乾燥、サイズ選別、梱包が行われるようなものだと思ってください。

即ち、４つのステージがあるとすれば4クロックで４つの結果を出すことが出来ます。
そして、１つのステージが終わる頃に次の処理がやってくるため、結果を待つ必要がないのです。これが、スーパースカラーと呼ばれる技術です。

しかし、単純にステージの数を増やせば速度が上がるとは限りません。
例えば、ステージをより深くして100作ったとしたら、もし50ステージで失敗すれば、最初からやり直しです。ステージが深いほど多くの処理を一度にこなせ成功すればあっという間に処理できるかもしれませんが、ステージ数が増加すれば予測の、失敗率が上がります。
それに対して、クロック周波数が高くなったときに、ステージ数が少ないと、簡易重複ステージが少なくなり、パイプが短すぎて、通過してしまう命令が増えてしまうのです。それも失敗に繋がります。

そして、それらをより効率的に行うには、それなりのスペースが必要です。それが、トランジスタの数になります。演算性能を上げるにはトランジスタの数が必要になるのです。

よって、上記のステージの最適化と分岐の最適化が重要になり、さらに微細化などトランジスタをより多く積める環境が求められるのです。

さらに、演算ユニットがサポートする命令の数や、分岐や演算が失敗しても短時間でやり直しが出来るような、キャッシュ機能の搭載、それに加えて周波数の高さなどが影響するのです。

AMDは、元々はIntelのセカンドソースメーカーとしてファウンドリとしての事業を行ってきたメーカーですが、現在ファウンドリ事業（GLOBALFOUNDRIES）は2009年に分離し、ファブレスメーカーになったことで、開発のみの専業メーカーとなりました。これは特に問題ではないのですが、その頃に開発したプロセッサがx86汎用処理を前提としたプロセッサではなく、グラフィックス演算とx86汎用演算を一つのプロセッサ技術に統合し始めた、APUという方式に変わったのです。

そして、そのときにクラスターコア（モジュール）と呼ばれる技術を投入し、１つのクラスターで処理の少ないFPUを中心とした処理系を１つに統合、ALUをこれまでの2コアと同じく２つに分離し、1クラスター2コア相当としたのです。これで分かると思いますが、2コアであっても、一部の処理系は1コア分しかないのが、今のAMDのAPUなのです。

それに対して、Intelは4コア8スレッドなどのHyper-Threading（SMT）などを持っています。4コア4スレッドでも高速なのは、x86の演算ユニットは全て一式を1コアに統合しているからです。即ち、余り使わないからといって、２つのコアで１つを使うような真似はしなかったのです。ただ、１つのコアで同時に２つの命令を流し込んじゃいましょうという処理を、採用してきました。それが結果的に、劇的な性能の差に繋がったのです。

もちろん、グラフィックス演算も加えると、今でもAMDのプロセッサの方が、上回ることはありますけど・・・。基本的なx86演算は情けないほどに劣る結果になりました。
http://powerpro.at.webry.info/201505/article_14.html

後は、AMD自身の予算の問題もあります。AMDはK6～K7時代にIntelの技術開発上のいくつかの問題によって、急成長したという歴史があります。その頃は、AMDの方が消費電力や発熱比での性能上明らかに有利でした。しかし、インテル社がその対策に成功し、Tick Tockと呼ばれる開発体制に移行し、AMDがK10ファミリーで明らかな失敗をしたことで、一気に時代が終わるのです。

元々、AMDは予算面でIntelに圧倒的に劣りますから、一つの失敗が、そこから長きにわたる苦境に繋がるのです。まあ、だからといって、これからも同じ状況が続くとは言えませんけどね。（正直、今のIntelは価格面でも性能面でも嘗めていると思うので・・・昔の殿様商売に戻っています）
今後、AMDには頑張って欲しいところです・・・。

ちなみに、AMDはそれでも一つだけ世界一があります。
それは、家庭用据え置きゲーム機向けプロセッサでは世界トップです。APUの性能が高くCPUも比較的高性能な割に省電力ですから・・・。まあ、正直な話、既にPCの大半はIntel社も大した性能の製品は使っていないので、Web閲覧程度なら、AMDに置き換えてもそんなに違いがないかもしれませんが・・・。