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マルチコア(Multiple core、Multi-core)は、1つのプロセサ・パッケージ内に複数のプロセサ・コアを封入した技術であり、マルチ・プロセッシングの一形態である。

外見的には1つのプロセサでありながら内部的には複数のプロセサとして認識されるため、主に並列処理を行わせる環境下においては、プロセサ・チップ全体での処理能力を上げ性能向上を果たすために行われる。このプロセサ・パッケージ内のプロセサ・コアが2つであればデュアルコア、4つであればクアッドコア、8つではオクタコアと呼ばれる。高性能な専用プロセサの中には数十個ものコアを持つものがあり、メニーコア(Many core)と呼ばれる。

従来の1つのコアを持つプロセサはマルチコアに対してシングルコアと呼ばれる。

◆ 概要

マルチコアはシングルコアに対し、プロセスルールが同じであれば、実装したプロセサ・コア数に比例してダイが大きくなる。面積が増えると、級数的に製造不良が増えるなど製造の面での難度が上る。

並列コンピューティングに対応したプログラミングが必要なため、ソフトウェアの開発は難しくなるが、OSやミドルウェアなどが並列処理の支援を行うことでソフトウェア開発は容易なものとなる場合がある。マルチプロセッサに対応しているプロセッサのマルチコア化の開発は、比較的簡単である。

パーソナルコンピュータでは高消費電力と廃熱処理や騒音対策などによる制約やクロック周波数対効果の停滞などにより、この技術へのシフトが進んでいる。

マルチコア・プロセサは消費電力低減と発熱抑制を目的に、各コアごとに動作電圧やクロック・スピードの可変制御を行ったり、休止状態を含む動作状態の制御を行なっている製品もある。コアごとに複数の電圧で給電するシステムが別途必要となるため、単一電圧よりは難易度は高い。

マルチコア・プロセサに似た技術に、同時マルチスレッディング(Simultaneous multi-threading、SMT)がある。これは1つのプロセサを外部から2つ以上に見せるという点では同じだが、実際に存在しているコアは1つ、すなわちシングルコアであるという点でマルチコア技術とは根本的に異なる。

◆ 用語

説明を効果的にするために、まず使用する用語を示す。

;ダイ(Die)

:シリコン・ウェハー上に半導体回路を作り、四角に切り出したもの。ベア・チップとも呼ばれる。半導体産業ではプロセス済みのウェハーやダイの生産までが上流工程であり、テストとパッケージ封入が下流工程になる。大手半導体企業で自社生産としている場合でも下流工程はアウトソーシングしていることがある。

;コア(Core)

:マルチコア・プロセサの「コア」について説明すれば、プロセサ・ダイ上に作成されるプロセサ回路の中核部分で「キャッシュ・メモリー」を除く半導体回路部分。ただし、共有ではないコア専用のキャッシュ・メモリはコアに含める事がある。多くの場合、プロセサ・ダイは「コア」、「キャッシュ・メモリー」、ボンディング・パッド等の接続部から構成される。

;サブストレート

:ダイを載せて外部接続ピンなどの外力から守るデジタル半導体の主要構成部材の1つ。MCM(Multi Chip Module)やMCP(Multi Chip Package)の場合には1つのサブストレートに複数のダイが載る。

;チップ(Chip)

:いくぶん不明瞭な意味で、半導体部品を意味する。ダイやペレットを指す場合もある。また、表面実装技術(Surface mount technology、SMT)の受動部品を指す場合もある。

◆ 背景

ポラックの法則ポラックの法則ではプロセサを構成するトランジスタ数を2倍にしても処理能力はその$\backslash sqrt$倍(約1.4倍)にとどまるとされている。一方で、消費電力はトランジスタ数に比例する。この法則によれば2倍のコストで1.4倍のリターンしか得られず、プロセサ当りのトランジスタ数を増やすことは非効率となる。を引用するまでもなくそれまで長い間予見されていたPCやサーバー用のシングルCPUによる演算能力向上の限界が1990年代末頃からは現実のものとして認識されはじめスーパーコンピュータの領域ではより早くからスカラー演算能力の限界として認識されていた。、2000年代の中頃にはシングルコアでの処理性能の向上手法よりマルチコアによる向上を図った製品が登場するようになった。

以下にマルチコアが登場した背景について示す。

◇ 複数CPUの実装

大型コンピュータやスーパーコンピュータでは、1つの半導体パッケージに複数の汎用プロセサ・コアを封入することは早くから行なわれていた。

サーバ用途でのパーソナルコンピュータ類似製品では1990年代中頃から、マザーボード上に複数のプロセッサを実装し並列処理させる対称型マルチプロセッシング(Symmetric multi-processing、SMP)と呼ばれるソリューションが現れていた。こういったマザーボードにマルチコアCPUを装着して、2x2=4 や 2x4=8 といった多数のマルチコア環境が現れている。

◇ 発熱問題

1990年中頃からラップトップPCでの「ひざが熱い」という発熱への不満やPCの放熱ファンの騒音が問題として認識され始めた。将来の汎用プロセサは、製造プロセスの微細化によるリーク電流の増加や、処理能力向上を目的とした動作クロックの高速化によって、消費電力がますます増大していくことが予想された。当時の汎用プロセサ処理速度の向上手法のままでは、汎用プロセサのダイ温度が非現実的なまでに高温となり、冷却機構の物理的な限界から性能向上が頭打ちになることもまた予想された。2000年前後から一般ユーザー向けのPCでも水冷式の製品が販売されはじめた。

◇ クロックの限界

21世紀からは1GHzを越えるCPUクロックが一般的となり、2009年現在では3.5GHz程まで伸びているが、1GHzの1サイクルの時間内では、光速度でも30cmしか伝播できない物理法則の壁があるため、今後さらにクロックが高速化されて5GHzや10GHzになれば従来のLCによる伝播遅延に加えて、光速度の7割程度の電気信号そのものの伝播の遅さも無視できなくなってくる。

◇ 高速処理の専用回路の限界

現在の汎用プロセサ内部の処理機構がスーパースカラ機構などにより既に高度に高速処理への最適化がなされており、たとえば命令の先読みによって投機実行と呼ばれる、本当に実行が必要かまだ決まらない内から前もって次の処理を実行してしまうという動作を常に行なったり、汎用プロセサの外部に主メモリがあるにもかかわらず汎用プロセサ上にキャッシュ・メモリーが2段階にも用意されている、さらにプリフェッチ・キューまでが用意されているといった具合である。他にもスーパーパイプライン、VLIW、アウト・オブ・オーダー実行等がある。これらの高速処理に欠かせない汎用プロセサの回路は、それぞれがほんの少しだけ処理の高速化に貢献している回路であり、これ以上同様の付加回路を汎用プロセサに追加してもそれほどの処理の高速化には貢献しないと予測される。

◇ 処理性能の向上策

マルチコア・プロセサによってプロセサ・コア数を増やせば、ソフトウェアさえ上手く対応できれば、処理性能の向上が得られることから、これら発熱とクロックの限界への解決策になる。実際に今日のPCは動画再生や音楽再生、データのエンコードのように、マルチスレッドで性能向上を期待できる用途に使われることが増えている。さらに、バックグラウンドで音楽を再生したりウイルスのチェックを行いながら、メールやWeb閲覧、文書作成、ゲームを楽しむことなどが行なわれており、複数のアプリケーションや多数のスレッドが実行される環境になっているため、マルチスレッドに対応するアプリケーションソフトウェアを利用していなくても、マルチコアの利点を享受することができる。

◆ マルチコア・プロセサの歴史

1999年、米IBM Corp.は商用サーバ向けプロセッサのPOWER4の発表でCPUのマルチコア化をリードした。2004年5月には米インテル社が従来のPentium 4の高速版でシングルコアCPUの開発コード「Tejas」の開発中止を決定したことが伝えられた。同じ頃、米AMD社も同社の計画から次世代のK9・K10などシリーズ以降の高速版CPUの開発を全て中止した(現行のK8シリーズをマルチコア化の強化という新たな方向性で製品化したものを現在ではK10としている)

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