駆け出しエンジニアの気ままにブログ

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統合型CPUの基本についてまとめてみる。  

従来型PCからの進化

従来のPCのアーキテクチャは「CPU」「ノースブリッジ」「サウスブリッジ」の3つのチップで構成されていました。

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CPU:プログラムの逐次実行
ノースブリッジ:メモリとの通信やグラフィック処理、ディスプレイ接続など
サウスブリッジ:ハードディスクなどの記録装置との接続や、USBやLANなどの比較的低速なインターフェース
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CPUは、1つの「コア」をより速くするため回路を緻密にして動作周波数を増やしてきましたが、周波数の向上と回路緻密化による消費電力の増大と廃熱の問題が大きくなり、コアを複数に分けてタスクを並列に処理する「マルチコア」というアプローチとなりました。
CPUには可能な限り大量のプロセッサコアを搭載し、ビデオカードのGPUも限界までストリーミング・プロセッサを詰め込んで、さらに「SLI」や「CrossFire」といった技術を搭載し、並列処理させるという構成は限りある熱設計電力を限界まで使い切るための必然的な構成です。
プロセスルールが45nm、32nmと微細化してきたことで充分な性能も伴うようになり、「統合プロセッサ」という選択肢が現実のものになりました。

統合型CPUのメリット

統合型CPUは、従来のチップセット内蔵型CPUと比較して次のようなメリットがあります。

ーーーーー
・性能の向上:CPU内部バスでCPUコアとGPUコアを接続
・部品点数の削減:CPU側にノースブリッジの機能を包括
・冷却効率が高い:熱源を1箇所に集中することで,、放熱設計が簡易化
・電力効率が高い:CPU, GPU負荷に応じて性能調整を行うため、電力あたりのパフォーマンスが向上
ーーーーー

GPU機能がCPUに統合されると「CPUとGPU間のデータ転送の高速化」「マザーボードの回路設計の簡略化によるコストダウン」など、多くのメリットが生まれます。
特にノートPCなどのモバイル端末では、マザーボードの小型化が必須なので「統合型CPU」を使うメリットは大きいです。
また「省エネ」はどこまでもつきまとう必要要件になり、特にモバイル端末ではこの考え方自体がバッテリのもちに直結します。
「統合型」のプロセッサは「省エネ」と「省スペース」が求められる状況に適応した形式だと言えます。

AMDとインテル

AMDはATIを買収した2006年から、統合型CPUの開発プロジェクト「Fusion」を進めてきました。AMDでは、「統合型CPU」を「APU」と称しています。
インテルは、2011年1月にNVIDIAとの技術クロスライセンス契約を結ぶなど、グラフィック分野の強化を図っています。CPUへのGPU統合が「Sandy Bridge」の最大の特徴です。 32nmプロセスルールのSandy Bridgeのシュリンク版である22nmプロセスルールのIvy Btidgeがリリースされ、Haswellが2013年に、Haswellの14nmプロセスルールへのシュリンク版Broadwellが2014年にリリースされます。

モバイル機器向けCPU

スマートフォンやタブレットデバイスなどのモバイル機器の世界では、CPUとGPUはそもそも同一チップに実装されることが当たり前のことであり、CPUコアはARMの「IP」を利用しています。

ARMはモバイル用の「SoC」に内蔵されるCPUコアの設計をモトローラ、IBM、テキサスインスツルメンツ、任天堂、シャープ、サムスン電子、パナソニック、クアルコムなどのプロセッサベンダーにIPとして提供する会社です。
ARMのCPUコアは、ガラケーから、ニンテンドーDSなどの携帯用ゲーム機、iPodまで、モバイル市場を中心に広い範囲で採用されてきました。(これらの機器のCPUは、電池駆動のため低消費電力が前提でした。)

スマホやタブレットで動画やゲームを楽しむような用途に重点をおいたARMプロセッサのひとつとして「NVIDIA Tegra」があります。 「Tegra」はグラフィック処理を得意とするNVIDIAが開発する低消費電力プロセッサのブランドネームであり、SoCの多コア構成が特徴です。

「iPhone 4」搭載の「Apple A4」と「Galaxy S」搭載の「S5PC110」は、どちらもサムスン電子製で、CPUコアはARMの「Coretex-A8」ベースの設計になっています。 また、「Snapdragon QSD8250」のCPUコアに採用されている「Scorpion」も、クアルコム独自設計ですが、ARMの「Cortex-A8」アーキテクチャベースになっています。

Cortex-A9は、 Cortex-A8からクロックあたりの性能が約25%向上(2 DMips/MHz→2.5 DMips/MHz)しており、「iPad2」や、NVIDIAの「Tegra 250」のチップが「Cortex-A9」のデュアルコアを採用しています。
ARMが2010年に発表したCPUコアがCortex-A15で、Cortex-A8/A9とほぼ同じ消費電力で、約2倍の性能を実現するとされています。

ということで、今回は以上です。





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