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●ムーアの法則の終焉を見据え、新たなコンピューティングを模索
微細化が限界に近づき、ムーアの法則が終わりつつある状況であるので、ムーア以降の時代をどのように乗り切っていくのかは大きな問題である。このムーア以降の時代をどうするのかを検討するのが、「リブート・コンピューティング(正式名称はRebooting Computing Initiative:RCI)」である。IEEEは2013年末にIEEE Rebooting Computingの第1回会合を開いている。

一方、半導体の業界団体(Semiconductor Industry Association:SIA)は半導体のロードマップを検討する活動を行っており、International Technology Roadmap for Semiconductors(ITRS)というロードマップを発行してきた。

しかし、微細化だけで半導体やコンピューティングの進歩を考えることができなくなっており、ITRSの検討は2015年を最後とし、ロードマップの作成は、IEEEの規格委員会が担当することになった。IEEEには半導体からコンピュータまで多くの専門家が揃っており、半導体デバイスだけでなく、コンピュータアーキテクチャや情報処理の方式まで、より広い視野でコンピューティングのロードマップを検討することができる。

そして、より広い視野で検討を行うことから、新しいロードマップは、「International Roadmap for Devices and Systems(IRDS)」と呼ぶことになった。なお、IRDSの検討はIEEEに移ったのであるが、ITRSを担当していた多くのメンバは引き続き、IRDSの検討に参加するという。

このRCIとIRDSについて、IEEE RCIの共同議長とIRDSの副議長を務めるジョージア工科大学のTom Conte教授が、SC16のワークショップで発表を行った。

○コンピューティングを根本から見直すRCI

これまで、2次元の微細化がコンピュータの発展を支えてきたが、微細化は終わりに近づき、まだ、ある程度の微細化はできるものの、トラジスタの動作速度はほとんど向上しないという状況になっている。この状態で、さらにコンピューティングの発展を実現するためには、コンピューティングを根本から見直すリブートが必要であるという。

デバイスだけを変えるLevel1、変更がマイクロアーキテクチャレベルに留まるLevel2、命令レベルに変更が起こるLevel3、非ノイマンコンピューティングまで考えるLevel4が考えられる。Levelが上がると性能向上(Gain)の可能性が増えるが、それに合わせてソフトウェアを作る手間(Pain)が増えるというトレードオフになる。

Level1はMore Mooreで、レガシーのコードがそのまま動く。トンネルFETやCNFET、超電導素子などのよりよいロジックスイッチや、MRAM、メモリスタ、PCMなどのより良いメモリを探すというアプローチである。

トランジスタ回路の電源電圧を下げると、2乗に比例して消費電力が減少する。しかし、電源電圧を1V以下に下げると、熱雑音による信号レベルのふらつきが無視できなくなる。結果として、確率的にスイッチの誤りが起こる。

しかし、このようなスイッチでも、3重化して多数決を使ったり、冗長付きのモジュロ数を使うことで誤りを訂正すれば、使うことができる。3重化は200%のオーバヘッドであるが、冗長付きモジュロ数を使うと50%のオーバヘッドで済む。

超電導素子は、超低温で動作させるので熱雑音(kT)が小さく、低い電圧でも安定に動作させられるので、動作電力が非常に小さく、高速で動作するというメリットがある。

しかし、この図にも1cm2に1万アンペアの電源供給と書かれており、筆者には、数mVで1万アンペアなどというDC電源が効率よく作れるとは思えない。冷却電力を含めて本当に得かどうかはちゃんと評価する必要があると思われる。

CMOS以外の素子で、Exascaleのコンピュータをけた違いに低い電力で実現できる可能性はあるが、かなり多額の研究開発費が必要になることは間違いない。

レベル3はアーキテクチャを変えて高性能を実現しようというアプローチで、ソフトは、そのままでは使えない。GPUはこの一例で安価な並列性を提供しているが、プログラムは新たに作る必要がある。また、HPEのThe Machineのようにメモリセントリックなコンピューティングもこの範疇のアプローチである。

アクセラレータは、1961年のIBMのStretch以来の高性能化手段である。並列化で性能を上げ、命令のフェッチやデコードを省略して消費エネルギーを節約する。ソフトウェアの変更が必要であるが、コンパイラにやらせる、ドメインスペシフィックな言語を使うなど、ソフトの変更の手間を減らす手はある。

近似値コンピューティングは、出力の精度を犠牲にして、効率や性能をあげるアプローチである。信頼度/精度の低いハードウェアやソフトウェアから許容できる信頼度のシステムを作る。

人間が見るイメージやビデオの場合、それほど高い精度は必要ない場合が多い。あるいは、サーチの場合、最適な場合を見つけられなくても、最適値に近い場合を見つければよいというケースも多い。

ただし、出力に必要とされる精度を保証するためには、どのようなアルゴリズムを使えば良いかは、まだ、分かっていない。

Level4は非ノイマン型のアーキテクチャで、量子コンピューティング、アナログの神経回路によるコンピューティング、その他のメモリスタやスピンエレクトロニクスデバイスの使用などが挙げられる。

メモリスタなどを使うアナログ型の神経回路は、けた違いにエネルギー効率が高い。また、神経科学とニューロコンピューティングが互いに両者を発展させるという関係も期待される。

量子コンピューティングには、量子ゲートを使いShorのアルゴリズムで計算を行なうタイプと量子アニーリングを使うタイプがある。Shorのアルゴリズムは因数分解などができ、実用的な量子コンピュータができれば威力を発揮するが、現状では、コヒーレンス時間が足りず、エラー訂正で補おうとすると、回路規模、消費電力が膨大になってしまう。

しかし、Level4のデバイスのテクノロジは、非常に未成熟な状態にある。また、これらのデバイスを使ってコンピューティングを行うためのシステムソフトウェアは、まったく存在しない状態である。したがって、Level4のアプローチを実用化するには、膨大な投資が必要になる。

●IRDSはITRSと何が違うのか?
○新ロードマップIRDSの検討を立ち上げ

これまでのロードマップは、ゴードン・ムーアが1965年に、チップに集積できる部品数は毎年倍増するというロードマップを示したことから始まった。

そして、米国の半導体業界団体SIAがNational Technology Roadmap for Semiconductors(NTRS)を1998年に作成し、ムーアのロードマップを詳細化した。この活動に、ヨーロッパ、アジアの半導体業界が加わり、International Technology Roadmap for Semiconductors(ITRS)となり、2015年まで続いた。

進歩を追跡し、何が障害になるかを明らかにし、解決方法を明確にするという点で、ロードマップの作成の重要性は、RCIの第1回会合から、共有されていた。そして、ロードマップの作製は、企業の開発競争の前の段階であり、企業や学会などの関係者が集まって行う、規格の検討と似た面があると認識されていた。

ムーアの法則の停滞から、デバイス中心のロードマップでは不十分で、システムやアーキテクチャまで範囲を広げて進歩の方向を検討することが重要という認識から、2013年にITRS2.0の検討委員会と、IEEEのRCIの検討委員会は協定を結び、共同してロードマップを作る検討を開始した。

そして、2015年に米国の業界団体SIAは、ITRS2.0がSIAが作る最後のロードマップであると宣言した。ただし、米国以外の半導体業界団体は、この方針に反対で、従来の努力を続けるべきという意見であるという。

このSIAとの合意に基づき、IEEEの規格委員会は、International Roadmap for Devices and Systems(IRDS)の検討体制立ち上げに動いている。

IRDSの検討方向であるが、次の図のように、Application BenchmarkingとSystems & Architecturesというフロントエンドの検討が付け加わっている点が新しい。その下のDevices、Components、IntegrationとCapabilitiesの部分は、ITRSで行われていた検討と近いように見える。

アプリケーションの領域としては、ビッグデータ解析、動画などの認識、巨大ディスクリートシステムのシミュレーション、巨大物理システムのシミュレーションNPハードな問題の最適化、VR/ARを含むグラフィック描画、メディア処理、暗号処理などが並んでいる。つまり、従来のデータ処理でなく、これらの新しい分野の処理を行う性能を評価するという方針と見える。

そして、これらのアプリケーション領域の性能を評価してSystems & Architectures(SA)へのインプットとする。もちろん、市場のニーズが重要であり、マーケットドライバが相互にApplication Benchmarking(AB)とSAの方向性にフィードバックを与える。 そして、SAから、それの実現に必要となるテクノロジを検討する各チームに方向性が与えられる。

次の図は、ABとSAのインタフェースを示す図であるが、残念ながら黄色で書かれたSAの項目が読み取れない。

まとめであるが、IEEEのRCIではMore Moore、Microarchitecture Change、Architecture Change、Non-Von Neumannの4レベルの変更すべてを検討範囲としている。この選択基準は、変更によって得られるGainと、ソフトの作り直しなどのPainのトレードオフで決められる。

そして、新しいデバイスのR&Dは引き続き重要である。 IRDSは、アプリケーションドリブンでロードマップの策定を始めており、必要となるデバイスが判明してきている状況である。

従来のITRSは、半導体業界が主導して作られ、デバイス中心のロードマップであったが、ムーアの法則が終焉に近づき、デバイスの改善だけでは今後の進歩は期待できない。ということで、IEEEのRCIのアクティビティを含めて、アプリケーションのベンチマーキングとシステムやアーキテクチャの検討を加えて、新しいロードマップをIEEEの規格委員会を中心に作成することになった。このロードマップはIRDSと呼ばれ、すでに検討が始まっている。

(Hisa Ando)