これに対抗する方法は他にありません。PC は経年とともに速度が低下します。
少し厳しい言い方かもしれませんが、コンピューターはかつてないほど高速化、小型化しています。しかし、プロセッサの性能は、かつてのような猛烈なスピードで進歩していないのです。かつては、年間50～60%の性能向上が当たり前でした。しかし今では、10～15%の向上が当たり前になっています。
幸いなことに、5年以上前のパソコンでも日常的な作業は問題なくこなせるので、パフォーマンスの低下はそれほど大きな問題ではありません。それに、不景気の時期に2年ごとにパソコンを買い替える必要がないのも嬉しいですね。しかし、現状維持では技術は進歩しません。未来にはスピードが必要です！
幸いなことに、PCプロセッサの大手メーカーは現状に満足していません。チップメーカーは、ムーアの法則の減速とパワーウォールの台頭によってもたらされる問題の解決に精力的に取り組み、パフォーマンスを常に向上させようとしています。
では、彼らはどんな過激な策略を秘めているのでしょうか？ 実は、いくつか種類があり、それぞれが将来に大きな可能性を秘めています。その舞台裏を覗いてみましょう。
インテル：巨人の肩の上に築く
Wikipedia/ウィキメディアコモンズ今日のわずかなパフォーマンス向上は、ムーアの法則の崩壊によるものと考えていいのでしょうか？必ずしもそうではありません。ムーアの伝説的な言葉はCPUの性能について語る際にしばしば誤って引用されますが、この法則の本質は、回路上のトランジスタ数が2年ごとに倍増するという点にあります。
他のチップメーカーがトランジスタの小型化とチップへの搭載量の拡大に苦戦する中、ムーア自身が共同創業者の一人であるインテルは、ムーアの法則が発表されて以来、その法則を忠実に守り続けてきました。この偉業は、インテルの少数精鋭のエンジニア集団の功績と言えるでしょう。ただし、彼らはただのエンジニアではありません。優秀なエンジニアたちです。
トランジスタの高密度化が進むにつれ、発熱と電力効率への懸念が大きな問題となります。現在、トランジスタのサイズはほぼ無限小に達しており、IntelのIvy Bridgeチップに搭載されている10億個以上のトランジスタは、それぞれ22ナノメートル（nm）、つまり約0.000000866インチの大きさです。こうした問題を克服するには、創造的な思考が不可欠です。
「困難になってきていることは間違いありません」と、インテルの技術製造マネージャー、チャック・マロイ氏は電話インタビューで語った。「本当に、本当に困難です。まさに原子レベルですから」
インテルは、進歩を加速させるため、過去10年間でトランジスタの基本設計に大幅な変更を加えてきました。2002年には、いわゆる「歪みシリコン」への移行を発表しました。これは、シリコン結晶の構造をわずかに変形させることで、チップの性能を10～20%向上させるものです。
しかし、電力の増加は問題の増加を意味します。具体的には、トランジスタが小型化し続けると、電子の「リーク」が増加し、効率が大幅に低下します。最近発表された2つの改良により、このリークを斬新な方法で抑制できるようになりました。
あまりマニアックな話にはなりませんが、同社は45nm製造プロセスへの移行にあたり、トランジスタの標準的な二酸化シリコン絶縁体を、より効率的な「high-kメタルゲート」絶縁体に置き換えることから始めました。単純な話に聞こえますが、実際には大きな変化でした。その後、さらに画期的な変化が起こり、Intelの現在のIvy Bridgeチップには「トライゲート」または「3D」トランジスタ技術が導入されました。
インテル従来の「平面型」トランジスタは、電子を運ぶチャネルの両側に一対の「ゲート」を備えています。トライゲート・トランジスタは、チャネル上に3つ目のゲートを追加し、両側のゲートを接続することで、この2次元的な考え方を打ち破りました。この設計は、リーク電流を低減しながら消費電力を削減することで効率を向上させます。繰り返しになりますが、3次元トランジスタの製造には極めて高度な技術的精度が求められます。現在、3次元トランジスタを搭載したプロセッサを出荷しているチップメーカーはIntelだけです。
では、インテルの次なる目標は何か？同社は何も語っていない。実際、マロイ氏によると、同社が採用する可能性のある技術、例えば次世代の極端紫外線リソグラフィー製造プロセスなどは、インテルがチップに搭載する何年も前から広報の「ブラックホール」に陥っているという。しかし、前述の過去の改善は、公開された時点で終わるわけではないとマロイ氏は強調した。
「インテルはこれを使いこなしたから、次は別の技術に進んでいる、と思われがちです」とマロイ氏は述べた。「高誘電率メタルゲートの機能を追加しても、歪みシリコンは消え去ったわけではありません。トライゲート・トランジスタに移行しても、高誘電率メタルゲートは消え去ったわけではありません。私たちは今もなお、その技術をベースに開発と改良を続けています。現在、歪みシリコンは第4世代、高誘電率メタルゲートは第3世代、そして今後登場する14nmチップはトライゲートの第2世代となります。」
言い換えれば、最高のチップ技術はますます向上し続けているということです。
ちなみに、Intel は、ムーアの法則は少なくともあと2 世代のトランジスタ縮小までは衰えることなく続くと考えています。
AMD: 徹底的な並列コンピューティング
しかし、Intelだけがチップメーカーではありません。ライバルのAMDは、トランジスタ技術の改良だけに頼るのではなく、CPUの負荷を軽減し、特定のタスクにより適した他のプロセッサにワークロードの一部を移行させることで、パフォーマンスの未来はCPUにいくらか余裕が生まれると考えています。例えば、グラフィックプロセッサは、パスワードクラッキング、ビットコインマイニング、そして多くの科学的な用途など、多数の同時計算を必要とするタスクを圧倒的な速さでこなします。
並列コンピューティングって聞いたことありますか？それが私たちが話していることです。
AMD「トランジスタ側のノードが小さくなると、CPUのパフォーマンスは毎年6～8 %、場合によっては10%向上します」と、AMDのシニアテクノロジーマーケティング担当者であるササ・マリンコビッチ氏は述べています。「しかし、GPUコンピューティング機能を備えたGPUを追加すると、さらに大きなメリットが得られます。例えば、Internet Explorer 8からIE9へのアップグレードでは、パフォーマンスが400%向上しました。これは前世代の4倍の 性能であり、これはすべてIE9のGPUアクセラレーションによるものです。」
「今日のパワー エンベロープ内でこの種のパフォーマンスの飛躍が見られるが、パワー エンベロープを大幅に下げても [現在と] 同じパフォーマンスが得られる可能性がある」とマリンコビッチ氏は言う。
AMDは、人気のAPU（アクセラレーテッド・プロセッシング・ユニット）において、ヘテロジニアス・システム・アーキテクチャ（単一チップ上の複数のプロセッサにワークロードを分散させる手法）へと徐々に移行を進めており、近々発売されるPlayStation 4にも搭載されるAPUもその一つです。APUは、上のブロック図に示すように、従来のCPUコアと大容量のRadeonグラフィックコアを同一のダイに搭載しています。AMDの次世代Kaveri APUでは、CPUとGPUが同じメモリプールを共有するため、両者の境界はさらに曖昧になり、より高速なパフォーマンスが実現します。
AMDは、並列コンピューティングの考え方を支持する唯一のチップメーカーではありません。同社はHSA Foundationの創設メンバーです。HSA Foundationは、 IntelとNvidiaを除く主要チップメーカーのコンソーシアムで、将来的に並列コンピューティングのプログラミングを容易にする標準規格の策定に取り組んでいます。
業界をリードする企業が HSA 財団のビジョンのバックボーンを提供しているのは良いことです。並列コンピューティングの壮大な異機種混在の未来を実現するには、ハードウェア設計の利点を活用するようにプログラムとアプリケーションを特別に作成する必要があるからです。
HSA財団「鍵となるのはソフトウェアです」とマリンコビッチ氏は認める。「HSAに完全対応したAPUとそうでないAPUを比較すると、ソフトウェアの変更は必須です。しかし、それは良い方向への変化となるでしょう。…私たちが目指すのは、一度コードを書けばどこでも使えるようになることです。HSA Foundation加盟企業全体でHSAアーキテクチャが実現すれば、PC用のプログラムを少し変更したりコンパイルしたりするだけで、スマートフォンやタブレットでも実行できるようになるでしょう。」
Nvidia の GeForce 中心の CUDA プラットフォーム、Windows システム上の DirectX 11 に組み込まれている DirectCompute API、Khronos Group が管理するオープン ソース ソリューションの OpenCL など、並列 GPU コンピューティングを可能にするアプリケーション処理インターフェイス (API) はすでに存在しています。
ソフトウェア開発者の間ではハードウェアアクセラレーションのサポートが広がりつつありますが、ほとんどのプログラムは何らかの形で高負荷のグラフィックス処理を行っています。例えば、Internet ExplorerやFlashもその流れに乗っています。先週、AdobeはWindows版Premiere ProにOpenCLのサポートを追加すると発表しました。担当者によると、AMDのディスクリートグラフィックカードまたはAPUを搭載したユーザーは、GPUアクセラレーションを利用してHDおよび4Kビデオをリアルタイムで編集したり、アクセラレーション非対応の基本ソフトウェアと比較して最大4.3倍の速度でビデオをエクスポートしたりできるようになるとのことです。
「これについては、何の疑問も、しかしという理由もありません」とマリンコビッチ氏は言う。「異機種混在アーキテクチャこそが未来の道なのです。」
オペル：さようならシリコン、こんにちはガリウムヒ素！
しかし、その未来は今日のコンピューティングのようにシリコン技術に基づいているのでしょうか?
短期的には確かにそうです。しかし、長期的には絶対にそうではありません。将来いつか――専門家も正確な時期は分かりませんが――シリコンは限界に達し、それ以上の性能向上は不可能になります。半導体メーカーは別の素材に切り替えざるを得なくなるでしょう。
マサチューセッツ工科大学その日が来るのはまだ遠い未来ですが、研究者たちはすでに代替案を模索しています。グラフェンプロセッサはシリコンの後継機として大きな注目を集めていますが、OPEL Technologiesは未来はガリウムヒ素にあると考えています。
オペルは、POET（平面光電子技術）プラットフォームの中核を成すガリウムヒ素技術を20年以上にわたり改良し続け、BAEや米国国防総省などと連携してその検証を行ってきました。これまでガリウムヒ素を用いたプロセッサの開発は、やや期待外れに終わったものの、オペルの代表者は、自社の独自技術は実用化に向けて準備が整っていると語っています。
OPEL はつい最近になって研究開発段階を終えたばかりで、Ivy Bridge の 20nm サイズで極小のトランジスタを製造しようとはしていないが、同社は 800nm ではガリウムヒ素プロセッサが現在のシリコンよりも高速で、電圧も約半分で済むと主張している。
「今日のシリコンプロセッサの速度、つまりクロックレート約3GHzに匹敵したいのであれば、20ナノメートルや30ナノメートルまで下げる必要はありません」とOPELの主任科学者ジェフリー・テイラー博士は語る。「いや、200ナノメートルでもおそらく達成できるでしょう。」しかも、これは3Dトランジスタではなく、プレーナー技術を用いた場合の話だ。
シリコン代替技術が直面する最大の問題の一つは、シリコンが世界で最も先端的な技術であり、シリコンプロセッサの最高効率製造に数十億ドルもの投資が行われていることです。Intel、AMD、ARM、そしてHSA財団に、新素材のためにこれらすべてを放棄するよう説得するのは困難でしょう。OPELは、自社の技術は既存のシリコン製造方法と多くの点で重複していると述べています。
「拡張性があり、CMOSにボルトオンで接続できます」と、エグゼクティブディレクターのピーター・コペッティ氏は語る。「これは非常に重要です。様々なファウンドリーや半導体企業と話し合う中で、まず聞かれるのは『設備を改修する必要があるのか？』ということです。当社のシステムは既存のシステムを補完するものなので、投資は最小限で済みます。」OPELはまた、ウエハーは再利用可能であると述べている。
欧州宇宙機関国際半導体技術ロードマップでは、2018年から2026年の間にガリウムヒ素がシリコンの代替となる可能性があると指摘しています。ガリウムヒ素がPCプロセッサ市場の主流を占めるまでには、まだ大量のテストと移行が必要ですが 、OPELの主張のほんの一部でも真実であれば、同社の技術が将来のプロセッサを動かす可能性は十分にあります。
まあ、少なくとも分子トランジスタや量子コンピューティングが実現するまではね。でも、それはまた別の話で…。
顔が溶けるような明日に向かって闊歩する
ということで、ここまで読んで（ふぅ！）、PCパフォーマンスの未来がどこへ向かうのか、少しは分かっていただけたでしょうか。Intel、AMD、OPELの取り組みは、それぞれ全く異なる方法で大きな問題に取り組んでいますが、それは良いことです。結局のところ、すべての可能性を一つの籠に詰め込むのは避けたいものですからね。
そして何よりも素晴らしいのは、PC パフォーマンス パズルのこれらのさまざまなピースがすべてうまく機能すれば、理論的には、それらをVoltron のように統合して、今日の最も強力な Core i7 プロセッサーさえも圧倒する、超強力な GPU 支援の 3 ゲート ガリウム ヒ素プロセッサーを作成できるということです。
今日のパフォーマンス曲線は平坦化しているかもしれないが、将来はかつてないほど厳しいものになりそうだ。
