外出先でPCを使用するユーザーは、長時間のバッテリー駆動時間を求めながらも、パフォーマンスを犠牲にしたくありません。こうした相反する要件のバランスを取ることが、Intelの新しいCPUアーキテクチャ（コードネームHaswell）の中核を成しています。このアーキテクチャは、2013年にタブレット、ウルトラブック、その他のコンピューターに搭載される予定です。
今週初めに開催された 2012 Intel Developer Forum で、Intel は Haswell の仕組みについてさらに詳しく説明しました。
あるいは「トック」の方が適切な言葉かもしれません。HaswellはIntelのCPU開発プログラムにおける「トック」を表しているからです。IntelはCPU開発戦略を「チック・トック」で表現しています。「チック」とは、既存のCPU設計にわずかな調整を加えながらも、新しい製造プロセスの効率性をすべて活用している状態を指します。Ivy Bridgeはティック（刻み）を表し、Sandy Bridgeから段階的に改良を加えながら22nmプロセスに移行しています。一方、Haswellのような新しいアーキテクチャは常に実績のある製造プロセスに基づいて構築されており、Intelの22nmプロセスはIvy Bridgeラインのおかげで十分に確立されています。つまり、Haswellは「トック」を表しているのです。
Haswellは、単なるIntelのPCプロセッサではありません。Intelは、10ワット未満で動作するデュアルコアチップ（タブレットに最適）から、最速のIvy Bridgeプロセッサを上回る性能を持つクアッドコアデスクトップCPUまで、Haswellベースのプロセッサを幅広く展開しています。Intelはどのようにして電力効率を20倍向上させるという大胆な目標を達成したのでしょうか？CPU本体の詳細に入る前に、Haswellの電力管理技術について見てみる価値があります。
眠いほど活動的
現代のCPU電力管理では、デバイスに実行させるタスクに基づいて、必要に応じてプロセッサの大部分の電力をカットします。Intelは、メインCPU内に直接組み込まれた特殊な処理ユニット（Intelは「パワー・コントロール・ユニット」と呼んでいます）を使用することで、ほぼトランジスタレベルまで電力を管理できます。PCUはプロセッサのどの部分が使用されていないかを監視し、必要に応じて個々の部分のオン/オフを切り替えることができます。
しかし、問題はCPUの一部をスリープ状態にすることではなく、プロセッサを使える程度に速く起動させることです。ノートパソコンがスリープ状態になるたびに1分も待たされたら、おそらくイライラして壁に投げつけてしまうでしょう。Ivy BridgeまでのIntel CPUは、アクティブとスリープという2つの主要な状態しかありませんでした（実際はもっと複雑ですが、大まかな流れはこんな感じです）。長年にわたり、Intelはスリープ状態のCPUを起動するのにかかる時間を着実に短縮してきました。現在のIvy Bridgeプロセッサは、ディープスリープ状態から起動するのに数秒かかります。とはいえ、数秒では「瞬時に起動」するにはまだ至りません。
Haswellにおける解決策は、Intelの設計者が「アクティブアイドル」と呼ぶ3つ目の電源状態を追加することです。SOixとも呼ばれるアクティブアイドルは、Ivy Bridgeの20分の1の電力消費量を誇る極めて低消費電力のアクティブ状態です。PCシステム自体は起動していると判断しますが、CPUはほぼスリープ状態です。この仕組みにより、最悪でも数百ミリ秒のウェイクアップ時間を実現できます。最悪でも0.5秒のウェイクアップ時間は、現在のCPUが数秒かけてウェイクアップするのに比べ、ユーザーにとっては非常に優れています。Haswellは動作中、ほぼ常にこの「インスタントレジューム」状態にあります。この技術の多くは、IntelのAtomプロセッサの電力管理機能から直接借用したものです。
IntelはHaswellの構築において、他にもいくつかの工夫を凝らしました。先ほど、アイドル状態とスリープ状態について説明しました。スリープ状態とアクティブアイドル状態は、実際には複数の小さな状態に分割されています。それぞれの小さな状態（「Cステート」と呼ばれます）は、CPUのどの部分がオフになっているかを正確に定義します。Haswellでは、よりきめ細かな電力管理のために新しいCステートが追加されています。これにより、CPUが必要な部分を起動するために、必要のない部分を頻繁に起動する必要がなくなり、バッテリー駆動時間が長くなります。
Intelは、CPUの電力消費とシステムのディスプレイの関連性についても調査しました。今日のシステムで起動に時間のかかるものの一つがLCDパネルであるため、Haswellプロセッサにはパネルのセルフリフレッシュ機能が搭載されます。例えば、画面をじっと見つめているだけで、Haswell CPUはスリープ状態になり、モニターの表示を更新するためにごく一部のCPUだけが起動します。マウスを動かしたりキーを押したりすると、すぐにCPUが起動します。ディスプレイはスリープ状態にならないため、起動時間を感じることはありません。
Intel がどのようにして電力効率の向上を実現したかについて少し見てきましたので、CPU アーキテクチャの強化について説明しましょう。
パフォーマンスの向上、電力効率の向上
IDFの技術セッションで、IntelのシニアプリンシパルエンジニアであるRonak Singhal氏は、CPUに新機能を追加しても消費電力が増えるわけではないと何度も繰り返し述べました。しかし、CPU設計者は消費電力のバランスを取りながらパフォーマンスを向上させるために、様々な工夫を凝らしています。
一つのトリックは分岐予測です。これはCPUが近い将来に実行される可能性のある命令を事前に予測するものです。CPUがパイプラインにどの命令が来るかを知っていれば、CPUリソースの割り当てをはるかに効率的に行うことができ、必要な部分だけをCPUで稼働させることができます。そこでIntelは、内部バッファの大型化やアウトオブオーダーウィンドウの拡大など、アーキテクチャ要素を微調整して分岐予測を改善しました。
また、CPUが1クロックサイクルで処理できる処理量が多いほど、同じ消費電力でパフォーマンスが向上します。そこでIntelは、クロックサイクルごとに2つの浮動小数点積和演算を実行する機能を追加し、同じ消費電力でIvy Bridgeの2倍のパフォーマンススループットを実現しました。L1およびL2キャッシュのスループットも向上し、CPUがデータ到着を待つ時間を短縮しました。
もちろん、これらの優れた機能はどれも無料で手に入るものではありません。電力効率は向上しましたが、チップ面積の犠牲を払っています。Haswellは依然として22nmプロセスで製造されるため、チップ自体はIvy Bridge CPUよりも大きくなる可能性があります。
チップサイズが大きくなる理由は、グラフィックスという別の理由でも考えられます。
タブレットでハイエンドPCゲーム：Haswellグラフィックス
Haswellは、Sandy Bridgeの既存のIntel HDグラフィックコアをベースに構築されており、主に改良と電力効率の向上が図られています。Haswellでは、Ivy Bridgeで利用可能な2つのオプション（Intel HD 2500とHD 4000）ではなく、Intel CPU向けにGT1、GT2、GT3という3つの異なる統合グラフィックオプションが提供されています。
GT3は、パフォーマンスの観点から最も興味深いバージョンです。GT3は、実行ユニット数を2倍にするだけで、旧型のHD 4000 GPUの2倍のパフォーマンスを実現します。実行ユニットはGPUの中核となる演算エンジンであり、グラフィックスシェーダーとGPU演算タスクを処理します。これらの実行ユニットは、Intelが「スライスコモン」と呼ぶ共通のモジュールユニットに組み込まれています。
スライスコモンには、ラスターエンジンやキャッシュなど、リアルタイムグラフィックスの主要コンポーネントも含まれています。HD 4000と比べて演算エンジンの数を倍増させるため、IntelはGT3に2つ目のスライスコモンを追加しました。これによりチップスペースは増加しますが、GPUがパフォーマンス向上のためにターボモードに入る必要がなくなるため、実際には消費電力を削減できます。
GPU には他にも、テクスチャ サンプラーの改善、全体的な帯域幅の向上、現在の HD 4000 のドライバーによって現在処理されているタスクを処理するための回路の追加など、さまざまな調整が行われています。
これらの機能はすべて、消費電力を増やすことなくパフォーマンスを向上させるのに役立ちます。Intelは、8WのHaswellユニットにGT3 GPUをフル搭載できる可能性があると見積もっていますが、製品バージョンの詳細は明らかにされていません。Intelは、合成グラフィックベンチマークであるUnigine Heavenと、グラフィックス要件が厳しいPC RPGであるBethesdaのSkyrimという2つの異なるアプリケーションの実行を披露しました。Haswellは両方のテストをIvy Bridgeの2倍の性能で実行し、はるかにスムーズなビジュアル体験を実現しました。
歴史的に、Intelは最新のプログラミングインターフェースへのソフトウェアサポートの追加において遅れをとっていました。Haswellは、Windows 7およびWindows 8向けのDirectX 11.1、GPUコンピューティング向けのOpenCL 1.2、そしてOpenGL 4.0といった最新標準をすべて実装することで、この状況を改善しました。Intelはドライバーサポートにも力を入れており、WindowsとLinuxの両方のドライバーを提供しています。
Haswellの3Dグラフィックエンジンは過去のIntel製品と比べて大幅に改良されていますが、デスクトップPCユーザーは依然として、最高のPCゲームパフォーマンスを得るためにハイエンドのディスクリートグラフィックカードを求めるでしょう。しかし、Haswellのグラフィックコアは、極めて薄型のUltrabookをゲーミングプラットフォームとして十分に活用できるものにし、新しいGPUはHaswell搭載タブレットで最新のPCゲームを動作させる可能性を広げます。
ビデオエンジン
Ivy Bridgeでは、GPUに内蔵された専用の固定機能ビデオユニットであるQuickSyncビデオブロックが導入されました。固定機能ビデオエンジンを構築することで、ビデオのエンコードとデコードのパフォーマンスが大幅に向上します。ただし、このエンジンはプログラム可能ではないため、最新のHDコーデックが登場しても、ビデオエンジンが対応できないという欠点があります。しかし、ビデオコーデックはほぼ標準化されているため、そのような事態は起こりにくいでしょう。
しかし、IntelはHaswellビデオエンジンに新たなコーデックのサポートを追加しました。Motion JPEG（MJPEG）はビデオ会議に不可欠です。SVC（スケーラブルビデオコーデック）は、接続速度に応じてビデオ品質が変化するモバイル環境で役立ちます。SVCは、ビデオ品質を適切に調整できるため、ネットワーク帯域幅が低下しても、ユーザーはカクカクしたりフレーム落ちしたりすることなく、良好なフレームレートを維持できます。また、次世代の超高精細パネル向けの4Kビデオのサポートも追加されました。
結論：チップが大きく、パフォーマンスが向上、消費電力が低減
HaswellはIvy Bridgeよりも多くのダイスペースを占有するため、IntelにとってはCPU当たりのコストが高くなります。これは、1枚のウェハ上にHaswell CPUをそれほど多く製造できないためです。しかし、Haswellのモジュール性によって、この問題はある程度軽減されます。Intelは、より小型のバージョンで低消費電力のニッチ市場をターゲットとする、多種多様なHaswell製品を開発できるからです。さらに、HaswellはIntelの次世代14nm製造プロセスにも適しています。
メインCPUのパフォーマンス調整は、Ivy Bridgeと比較して進化的なものです。同じクロック周波数で、ユーザーは最大10%のパフォーマンス向上を実感できるでしょう。特に電力効率とグラフィックス性能の向上が顕著です。電力効率の向上により、ノートパソコンではついにUltrabookで終日駆動可能なバッテリー駆動時間を実現し、GPUの改良により、モバイルユーザーは外出先でも十分に安定したゲーム体験を得られるようになります。
Haswellは、ここ数年でIntelの収益に最も大きな影響を与えるCPUになりそうです。新しいCPUのモジュール性と電力効率によって実現される幅広い製品ラインナップにより、Haswell製品は様々なフォームファクターで提供されることが予想されます。ユーザーは、モバイルとデスクトップのフォームファクターにおいて、これまで以上に幅広い選択肢を得られるようになり、パフォーマンスの向上とバッテリー駆動時間の延長が実現します。
