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HBM(High Bandwidth Memory)について

【HBM(High Bandwidth Memory)について】

2015年にRadeon R9 Furyで採用されたHMBですが、次世代の
HBM2、HBM3についての話も出てきているので、

今回はHigh Bandwidth Memoryについて書きます。



【AMDと共同開発しているSK hynixの公式資料】
HBM (High Bandwidth Memory) for 2.5D - SEMICON Tai
wan
(PDF)



【HBMとは】
従来VRAM(ビデオメモリ)をグラフィックボードに搭載する場合、
DRAMを1枚ずつ搭載し、GPUに基板を介し配線して接続してい
ました。

世代が移行して性能が上がって行くに従って配線数が増え、基板
上の空間と基板多層化からくる排熱問題で配線数が頭打ちになっ
たのと、

それに伴いVRAM自体に電圧を盛って周波数を上げる事で高速化
するしかなかった為、

配線面積と消費電力と発熱の関係で性能が殆ど上げられなくなっ
ていました。


HBM構造
そこで、DRAMを2枚以上重ねてTSV(Through Silicon Via)と
いう重ねたDRAMを貫通する方式で配線し、GPUとさらにインタ
ーポーザという基板でごく短距離で尚且つ多配線で接続するこ
とで、

多配線による多転送で高速化する方式に切り替えたのがHBMです。


多配線化していて一度に送れるデータ量が増えいるので周波数(デ
ータ転送回数)が下げられるのと、GPUまでの距離が短くなった分、
消費電力と発熱が大分下がっています。



【HBMの詳細】
SK hynixの公式資料の11ページ及び13ページの画像を見ながら
読んで下さい。


画像は4枚のDRAM128本の伝送路二組をTSVで接続しています。

CH0~CH7と書かれているのはDRAM1枚に付き2組の伝送路でデ
ータ領域を半分ずつ担当して読み書きしているからです。

だから、例えばCH0CH2は実際には1枚のDRAMです。


尚、ぶち抜きで接続しているのに伝送路が128 x 8で1024本とな
っているのはおかしいと考える人もいると思いますが、

CH毎に別配線でメモリコントローラに独立して接続されている
のと、実行コマンドを並列に発行して処理する仕様になってい
る為、

同じ伝送路を共有していても略バッティングすることなく各CH毎
にデータ転送する事が出来るので、0~7の8CHで1024と表され
ている訳です。



【帯域の計算の仕方】
雑誌やサイトを読んでもいまいち計算方法が分からないという人
もいると思われるので書きます。


データ伝送路:1024(128 x 8)本、DRAMがDDRの2ライン仕
様でPrefetch(一度に読み出すデータ数):2(bit)の1秒辺りの転
送レートの計算する場合、

データ伝送路の本数は128本を8ch1024でPrefetchが2(bit)な
ので一度に送れるデータは↓となる。

1024 x 2 = 2048


HBM1の基本周波数は500MHz(1秒間に500万回データ転送)な
ので、

2048 x 500000000 = 1024000000000


bitでは分かり難いのでByteに直すと

1024000000000 / 8 = 128000000000


128,000,000,000つまり1秒間で128GBをデータ転送できると
言う事になります。

正確に書くと4枚一組のメモリ帯域は128GB/sと言う事です。


尚、上記はHBMの一箇所全体についてですが、1CH辺りは256(1
28 x 2)bitで32Byte単位で転送し、1秒間で16GB転送出来ます。

上記した様にCH毎に独立して転送する仕様なので、データの読み
書きは32Byte単位で行われます。



【HBM2以降と今後の予測】
HBM2を製造する予定なのは今の所HynixSamsungの2社で仕
様が微妙に違っていますが、

128本を擬似的に64 x 2と認識する事でデータ量の読み込み単位
を少なくしてをデータ要求時の待ち時間を短縮して効率を上げる
制御を取り入れて更に効率化しています。

また、プロセスの微細化や周波数の上げ幅によっても高速化する
と思われるの、HBM2搭載のグラフィックボードが待ち遠しいで
すね。



低消費電力、低発熱化に加えて高速化もしますが、VRAM統合に
よってGDDR5XまでVRAM実装で必要だった面積が減る事で基板
短縮化が出来るので、高性能パーツでも余裕が出来ます。

後、HBMはGPUだけではなくCPUやAPUの搭載も考えられてい
る為、コンシューマゲーム機に採用されたり、そのうちメインメ
モリとして使用される様になることもあるかもしれません。



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