投稿者: 小田 龍星

1965 年、出版物エレクトロニクスに、フェアチャイルド セミコンダクターの研究開発ディレクター、ゴードン E. ムーア博士が書いた記事が掲載されました。ムーア氏は記事のタイトルを「集積回路上にさらに多くのコンポーネントを詰め込む」とした。同氏は、フェアチャイルドのような半導体企業は、12 か月ごとに 1 平方インチのシリコン上のディスクリート部​​品の数を 2 倍にすることができると観察しました。

これは一種の指数関数的成長です。 1964年に製造された平方インチ（6.5平方センチメートル）のチップは、1965年に製造されたチップに比べて、トランジスタなどのコンポーネントの数が半分になる。ムーア氏は、チップメーカーがそれを妨げる根本的な障壁に遭遇するまで、この傾向は無期限に続くだろうと予測した。彼らの進歩。

ムーア氏の観察は、技術の進歩と大量生産の経済性という 2 つの重要な要素に依存していました。彼の観察が有効であり続けるためには、チップ上にますます小さな要素を作成する新しい方法を革新し、見つける必要があります。しかし、製造プロセスが経済的に実行可能であることも確認する必要があります。そうしないと、さらなる開発をサポートする方法がなくなります。

今日、私たちはムーアの観察をムーアの法則と呼んでいます。名前とは裏腹に、実際には法律ではありません。新しく作られた集積回路がその時点でどれほど強力になるかを示す基本的な規則は宇宙に存在しません。しかし、チップメーカーが1965年にムーア博士が述べた予測に追いつくように努めたため、ムーアの法則は一種の自己成就的予言となった。それが誇りからか、単に市場で主導権を握りたいという願望からかは分からないが、インテルのような企業は、遅れを取り戻すために研究開発に何十億ドルも費やしてきました。

では、この 50 年近く前の観察は今でも意味があるのでしょうか?

量子の飛躍

年が経つごとに、一部のテクノロジー専門家やジャーナリストが、ムーアの法則は終焉を迎えると予測しているようです。現在のマイクロプロセッサのコンポーネントはナノスケールになっています。そのスケールは非常に小さいため、強力な光学顕微鏡を使用しても個々の要素を見ることさえできません。このサイズでは物理学は異なる振る舞いをし、量子力学が古典物理学を引き継ぎ始めます。事態はかなり奇妙になります。

たとえば、量子トンネルがあります。電子は位置が定義された粒子ではないと想像してください。代わりに、それは波のように動作する粒子です。電子の位置の確率は波内で変化します。ある意味、この波は釣鐘曲線のように見えます。狭い端は、電子が存在する可能性はあるものの、存在する可能性は低い領域を表しています。中央の広いセクションは、電子が見つかる可能性が最も高い領域を表します。

この波が 2 本の導体間のギャップなどの障壁に近づくと、波の一方の端が障壁に重なり、もう一方の導体に接触する可能性があります。これは、電子がギャップの反対側に存在する可能性があることを意味します。ポテンシャルがあるということは、電子が反対側にあることがあるということです。まるで電子が障壁を突き抜けたかのようです。

マイクロプロセッサでは、これはいわゆる「悪いこと」です。マイクロプロセッサは、電子が通過するための複雑な道路システムと考えることができます。マイクロプロセッサ内のトランジスタはゲートであり、トラフィック フローを制御します。閉じたゲートでは電子が通過できません。しかし、ゲートを十分に薄くすると、つまりムーアの法則に従うために要素をさらに縮小すると、電子のトンネリングなどの量子問題が発生し始めます。電子の漏れは、マイクロプロセッサが計算で間違った結果を取得するため、コンピュータエラーを引き起こします。

長年にわたり、エンジニアは量子トンネルなどの影響を最小限に抑えながら、ナノスケールでトランジスタを構築する新しい方法を発見してきました。場合によっては、トランジスタのゲート内で異なる種類の材料を使用する必要があります。場合によっては、マイクロプロセッサの効率を高めるために 3 次元のゲートを作成することを意味します。これらは、企業がムーアの法則の予測に歩調を合わせるのに役立ちました。しかし、ムーアの法則が消えないもう一つの理由は、私たちが定義をいじり続けているためです。

法律の再定義

もともと、ムーアの法則は、新しく製造される集積回路上のディスクリート コンポーネントの数が 12 か月ごとに 2 倍になるという、かなり特殊な概念を対象としていました。今日、私たちはこの数字を少しごまかしています。テクノロジー業界の人々は、それが 18 ～ 24 か月ごとだと言っているのが聞こえるでしょう。そして、私たちはチップ上の要素の数についてだけ話しているわけではありません。

ムーア氏の観察を言い換える一般的な方法の 1 つは、一定期間 (通常は 18 ～ 24 か月) の間、マイクロプロセッサの処理能力が 2 倍になるということです。これは必ずしも、2012 年のチップ上のトランジスタ数が 2010 年の 2 倍であることを意味するわけではありません。代わりに、チップをより効率的に設計する新しい方法が見つかり、チップを必要とせずに処理速度が向上する可能性があります。指数関数的な成長。

物理コンポーネントではなく処理能力に注目するようにムーアの法則を再定義することで、観察の有用性が広がりました。企業は、製造技術の進歩とより優れたマイクロプロセッサ アーキテクチャ設計を組み合わせて、法律に対応することができます。

このようにムーアの法則を再定義することは不正行為に似ていますか?関係ありますか？ 1965 年にムーアは、彼の観察が真実であれば、1975 年に製造されたチップには 65,000 個のトランジスタが搭載されるだろうと予測しました。現在、インテルは 26 億個のトランジスタを備えたプロセッサを製造しています 。今日のコンピューターは、数十年前よりもはるかに高速にデータを処理できるようになりました。家庭用 PC は、初期のスーパーコンピューターと同じくらい強力な機能を備えています。

この問題を捉えるもう 1 つの方法は、今日のコンピューターの能力が 2 年前の 2 倍であることが重要なのかどうかを問うことです。スティーブ・ジョブズがかつて示唆したように、私たちがポスト PC の時代に生きているとしたら、より高速なマイクロプロセッサーは以前ほど重要ではなくなる可能性があります。私たちのデバイスがエネルギー効率が高く、ポータブルであることの方が重要かもしれません。もしそうなら、ムーアの法則が終焉を迎えるのは、ある種の根本的な限界に達したからではなく、私たちができることの限界を押し広げ続けることが経済的に意味がないからであるかもしれない。

コンピューター購入者の一部の層は、処理において最高水準を要求し続けるでしょう。ビデオ ゲーム愛好家や高解像度メディアを扱う人々は、入手できるすべての処理能力を必要としています、または切望しています。しかし、残りの私たちはどうでしょうか？

たとえすべてのパーソナル コンピューターがクラウド経由であらゆるものにアクセスするダム端末になったとしても、どこかには強力なプロセッサを搭載したコンピューターが必要になるでしょう。おそらく、プロセッサの能力が 2 倍になるまでのリードタイムが長くなった、ムーアの法則の新たな定義が現れることになるでしょう。その変遷の歴史を考えると、ムーアの法則は何らかの形でもう少し長く存続しそうだ。

著者のメモ

私にとって、ムーアの法則の最も魅力的な側面は、マイクロプロセッサ業界への影響です。それは誰もが達成したい目標です。それはエンジニアに、後れを取るリスクを冒すのではなく、新しいアプローチや材料を試してみようという動機を与えます。最終的に、この観察が業界を導き、PC およびポスト PC 時代への道を切り開きました。

このページを読むために使用しているコンピュータは、マイクロプロセッサを使用して動作します。マイクロプロセッサは、デスクトップ マシン、サーバー、ラップトップなど、通常のコンピュータの心臓部です。マイクロプロセッサには多くの種類がありますが、それらはすべてほぼ同じことをほぼ同じ方法で実行します。

マイクロプロセッサ ( CPUまたは中央処理装置とも呼ばれます) は、単一チップ上に製造された完全な計算エンジンです。最初のマイクロプロセッサは、1971 年に発売された Intel 4004 でした。4004 はそれほど強力ではありませんでした。実行できるのは加算と減算だけであり、一度に実行できるのは 4ビットだけでした。しかし、すべてがワンチップ上にあるのは驚きでした。 4004 が登場する前は、エンジニアはチップの集合体または個別のコンポーネント (トランジスタを1 つずつ配線したもの) からコンピュータを構築していました。 4004 は、最初のポータブル電子計算機の 1 つに動力を供給しました。

コンピュータのマイクロプロセッサが何をしているのか疑問に思ったことがある場合、またはマイクロプロセッサの種類の違いについて疑問に思ったことがある場合は、読み続けてください。この記事では、非常に単純なデジタル ロジック技術を使用して、ゲームをプレイする場合でも文書のスペル チェックを行う場合でも、コンピューターがその仕事をどのように実行できるかを学びます。

マイクロプロセッサの進歩: インテル

1974 年に発表された、家庭用コンピュータ (ワン チップ上の完全な 8 ビット コンピュータ) に組み込まれた最初のマイクロプロセッサです。市場で本格的な話題となった最初のマイクロプロセッサは、1979 年に発表され、IBM PC に組み込まれた Intel 8088 でした。 （1982年頃に初めて登場しました）。 PC 市場とその歴史に詳しい方は、PC 市場が 8088、80286、80386、80486、Pentium シリーズ、Core シリーズ、Xeon シリーズへと移行したことをご存知でしょう。これらのマイクロプロセッサはすべてインテル製であり、すべて 8088 の基本設計を改良したものです。

2004 年以来、インテルは複数のコアと数百万個以上のトランジスタを備えたマイクロプロセッサを導入してきました。しかし、これらのマイクロプロセッサでも、以前のチップと同じ一般規則に従っています。

Intel Core i9 プロセッサには最大 8 つのコアを搭載でき、各コアはオリジナルの 8088 で実行されていたあらゆるコードを実行できますが、その速度はわずか約 6,700 倍です。各コアは複数の命令スレッドを処理できるため、コンピューターはタスクをより効率的に管理できます。

インテルの製品範囲は 1970 年代から大幅に拡大しました。この記事の執筆時点で、同社は依然としてコンピューター用の Pentium および Core CPU を製造していますが、より高性能な PC やサーバーには Xeon チップが使用される可能性があります。さらに、Intel は Celeron および Atom プロセッサラインを提供しています。 Celeron は初心者レベルのコンピュータ ユーザーを対象としており、Atom プロセッサはモバイル デバイスやモノのインターネットの一部であるデバイスに適しています。

インテルは依然として市場の大部分を占めていますが、競合他社と比べて相当以上のシェアを持っています。 AMD は PC プロセッサ市場で Intel と競合していますが、PC ゲーマーに人気のグラフィックス プロセッサ チップでも大きなビジネスを行っています。グラフィックチップで有名なNvidiaはCPUも製造しています。 2020年、AppleはMシリーズチップを導入しました。これは、AppleがMacintoshコンピュータに使用していたIntelチップを置き換えるものです。サムスンは独自のプロセッサ設計を採用しています。さらに多くの企業が、自動車やスマートホーム製品など、他のエレクトロニクス用途向けのプロセッサを開発しています。市場の競争はますます激化しています。

マイクロプロセッサロジック

マイクロプロセッサがどのように動作するかを理解するには、内部を調べてマイクロプロセッサを作成するために使用されるロジックについて学ぶことが役立ちます。その過程で、マイクロプロセッサのネイティブ言語であるアセンブリ言語や、プロセッサの速度を上げるためにエンジニアができることの多くについても学ぶことができます。

マイクロプロセッサは、プロセッサに何をすべきかを指示する一連の機械命令を実行します。命令に基づいて、マイクロプロセッサは 3 つの基本的なことを実行します。

マイクロプロセッサが行うことは非常に高度なものかもしれませんが、これらは 3 つの基本的な動作です。次の図は、これら 3 つのことを実行できる非常に単純なマイクロプロセッサを示しています。

これはマイクロプロセッサとしては非常に簡単です。このマイクロプロセッサには次の機能があります。

この例では、アドレス バスとデータ バスの幅が両方とも 8 ビットであると仮定します。

この単純なマイクロプロセッサのコンポーネントは次のとおりです。

この図には示されていませんが、命令デコーダからの制御ラインは次のとおりです。

命令デコーダには、命令レジスタからのビットだけでなく、テスト レジスタとクロック ラインからのビットも入ります。

マイクロプロセッサメモリ

前のセクションでは、アドレス バスとデータ バス、および RD ラインと WR ラインについて説明しました。これらのバスとラインは、RAM または ROM のいずれか (通常は両方) に接続します。私たちのサンプル マイクロプロセッサには、8 ビット幅のアドレス バスと 8 ビット幅のデータ バスがあります。これは、マイクロプロセッサが 256 バイトのメモリをアドレス指定でき、一度に 8 ビットのメモリを読み書きできることを意味します。この単純なマイクロプロセッサには、アドレス 0 から始まる 128 バイトの ROM と、アドレス 128 から始まる 128 バイトの RAM があると仮定します。

ROM は読み取り専用メモリの略です。 ROM チップは、事前に設定されたバイトの永続的なコレクションでプログラムされています。アドレス バスは、どのバイトを取得してデータ バスに配置するかを ROM チップに指示します。 RD ラインの状態が変化すると、ROM チップは選択されたバイトをデータ バス上に表示します。

RAMはランダムアクセスメモリの略です。 RAM には情報バイトが含まれており、マイクロプロセッサは、RD ラインまたは WR ラインに信号が送られているかどうかに応じて、それらのバイトを読み書きできます。現在の RAM チップの問題の 1 つは、電源が切れるとすべてを忘れてしまうということです。そのため、コンピュータにはROMが必要です。

ちなみに、ほぼすべてのコンピュータにはある程度の ROM が含まれています (RAM を含まない単純なコンピュータを作成することは可能です。多くのマイクロコントローラは、プロセッサ チップ自体に数バイトの RAM を配置することでこれを実現しています)。しかし、一般に、RAM を含まない単純なコンピュータを作成することは不可能です。 ROMは含まれていません）。 PCでは、ROM はBIOS (Basic Input/Output System) と呼ばれます。マイクロプロセッサが起動すると、BIOS で見つかった命令の実行を開始します。 BIOS 命令は、マシン内のハードウェアのテストなどを実行し、ハード ディスクに移動してブート セクターをフェッチします (詳細については、 「ハード ディスクの仕組み」を参照してください)。このブート セクターも小さなプログラムであり、BIOS はディスクから読み取った後、RAM に保存します。次に、マイクロプロセッサは RAM からブート セクタの命令の実行を開始します。ブート セクター プログラムは、ハードディスクから何か他のものを RAM にフェッチするようにマイクロプロセッサに指示し、マイクロプロセッサはそれを実行します。これは、マイクロプロセッサがオペレーティング システム全体をロードして実行する方法です。

マイクロプロセッサの命令

前の例で示した信じられないほど単純なマイクロプロセッサであっても、実行できるかなり大規模な命令セットがあります。命令のコレクションはビット パターンとして実装されており、それぞれが命令レジスタにロードされるときに異なる意味を持ちます。人間はビット パターンを記憶するのがあまり得意ではないため、さまざまなビット パターンを表すために一連の短い単語が定義されます。この単語の集合はプロセッサのアセンブリ言語と呼ばれます。アセンブラはワードをそのビット パターンに非常に簡単に変換でき、アセンブラの出力はマイクロプロセッサが実行できるようにメモリに配置されます。

この例では、設計者が単純なマイクロプロセッサ用に作成するアセンブリ言語命令のセットを次に示します。

「How C Programming Works」を読んだことがあれば、この単純な C コードが 5 の階乗を計算することをご存知でしょう (5 の階乗 = 5! = 5 * 4 * 3 * 2 * 1 = 120)。

プログラムの実行が終了すると、変数fには 5 の階乗が含まれます。

アセンブリ言語

C コンパイラは、この C コードをアセンブリ言語に変換します。このプロセッサの RAM がアドレス 128 から始まり、ROM (アセンブリ言語プログラムを含む) がアドレス 0 から始まると仮定すると、単純なマイクロプロセッサの場合、アセンブリ言語は次のようになります。

ロム

ここで問題となるのは、「これらすべての命令は ROM 内でどのように見えるのか?」ということです。これらのアセンブリ言語命令はそれぞれ 2 進数で表す必要があります。わかりやすくするために、次のように、各アセンブリ言語命令に一意の番号が与えられていると仮定します。

この番号はオペコードとして知られています。 ROM では、この小さなプログラムは次のようになります。

7 行の C コードが 18 行のアセンブリ言語になり、ROM では 32 バイトになったことがわかります。

デコード

命令デコーダは、各オペコードを、マイクロプロセッサ内のさまざまなコンポーネントを駆動する一連の信号に変換する必要があります。 ADD 命令を例として、その命令が何を行う必要があるかを見てみましょう。

すべての命令は、マイクロプロセッサのコンポーネントを適切な順序で操作する、このような一連の一連の操作として分解できます。この ADD 命令のような一部の命令は、2 クロック サイクルまたは 3 クロック サイクルかかる場合があります。他のものは 5 または 6 クロック サイクルかかる場合があります。

マイクロプロセッサのパフォーマンスと傾向

利用可能なトランジスタの数は、プロセッサのパフォーマンスに大きな影響を与えます。前に示したように、8088 などのプロセッサの一般的な命令の実行には 15 クロック サイクルかかりました。乗算器の設計により、8088 で 1 回の 16 ビット乗算を実行するだけで約 80 サイクルかかりました。トランジスタの数が増えると、シングル サイクル速度が可能なさらに強力な乗算器が可能になります。

トランジスタを増やすと、 と呼ばれる技術も可能になります。パイプライン アーキテクチャでは、命令の実行が重複します。したがって、各命令の実行に 5 クロック サイクルかかるとしても、実行のさまざまな段階で 5 つの命令が同時に存在する可能性があります。こうすることで、1 つの命令が各クロック サイクルで完了するように見えます。

最新のプロセッサの多くには複数の命令デコーダがあり、それぞれに独自のパイプラインがあります。これにより、複数の命令ストリームが可能になり、各クロック サイクル中に複数の命令を完了できることになります。この手法は実装が非常に複雑になる可能性があるため、多くのトランジスタが必要になります。

トレンド

最近ではプロセッサがどこにでも普及しているように見えますが、その傾向は衰えていないようです。研究者たちは、 などのアイテムを有効にする方法を発見しました。研究者たちは、プロセッサを操作するために を使用する方法に取り組んできました。おそらく、今後の最大の変化は、問題解決に 1 と 0 の使用に限定されない量子コンピューターの開発です。これらのコンピューターはより効率的に機能しますが、デスクトップに量子コンピューターがすぐに登場する可能性は低いでしょう。

64ビットマイクロプロセッサ

64 ビット プロセッサは 1992 年から使用されており、21 世紀には主流になりました。これらのプロセッサには、64 ビット ALU、64 ビット レジスタ、64 ビット バスなどが備わっています。

世界が 64 ビット プロセッサを必要とする理由の 1 つは、アドレス空間が拡大しているためです。 32 ビット チップは、多くの場合、最大 2 GB または 4 GB のRAM アクセスに制限されます。ほとんどの家庭用コンピュータが 256 MB ～ 512 MB の RAM しか使用していなかった時代には、これは大変な量のように思えました。しかし、21 世紀の家庭用コンピューターは、データ (非常に複雑なデータには多くの実数が含まれる) をより速く処理できるようになりました。ビデオ編集を行う人や、非常に大きな画像の写真編集を行う人は、この種のコンピューティング能力の恩恵を受けます。ハイエンドのゲーマーも、より詳細な高解像度のゲームから恩恵を受けることができます。

64 ビット RAM アドレス空間は当面は本質的に無限であるため、64 ビット チップによりさらに多くの選択肢が広がります。2^64 バイトの RAM は 10 億ギガバイトのオーダーに相当します。マザーボード上の 64 ビット アドレス バスと幅広の高速データ バスにより、64 ビット マシンはハードディスク ドライブやビデオ カードなどへの I/O (入出力) 速度も高速になります。これらの機能により、システムのパフォーマンスが大幅に向上します。