半導体の新技術「チップレット」の活用で、ムーアの法則は維持できるか
半導体産業では2016年に、時計の針がいったん止まった。
「ムーアの法則」として予言された通り、ひとつのシリコンウェハーに集積できるトランジスターの数は、過去50年にわたって増え続けてきた。その恩恵にあずかり、時代とともにより多くのトランジスターがマイクロチップに搭載されるようになり、デジタル機器はミニコンピューターからパソコン、スマートフォンへと進化を遂げ、やがてクラウドが誕生した。
しかし、トランジスターのプロセスの微細化がナノレヴェルで進み、どんなウイルスよりも小さくなったところで、進化のスピードに陰りが出始めた。半導体産業は、自らに課してきたムーアの法則という目標に、ついていけなくなったのである。
「ムーアの法則」の限界
業界団体の隔年レポートでも、それまではムーアの法則通りの成長ペースを保つと宣言していた。ところが2016年版ではそれを改め、成長のための新たな道を探るべきだとした。
「ムーアの法則に限界が見え始めています」と、AMDの最高技術責任者であるマーク・ペーパーマスターは言う。「いまでもトランジスターは高密度化し続けていますが、費用対効果は下がり、開発に時間がかかるようになりました。それが以前とは根本的に違う点です」
以前のように集積密度の向上が期待できなくなったことで、半導体メーカーは方針転換を迫られている。これまでとは異なるアプローチでコンピューターの性能を向上させ、消費者の購買意欲をかき立てるにはどうすればよいのだろうか。
この問題を解決すべく、業界全体である取り組みが進められている。ペーパーマスターも参加するその取り組みは、半導体開発の新機軸を打ち出そうとしているのだ。
これが実を結べば、ムーアの法則が成り立つという前提のもとにかたちづくられた、人々の期待に応えるようなペースでコンピューターを進化させ続けられるのではないかと、インテルやAMD、そして米国防総省も期待を寄せている。
レゴのように組み合わせる半導体
いま注目されているのが「チップレット」を活用した新たなアプローチである。チップレットとはチップを構成するパーツで、ハイテク技術が使われたレゴブロックのようなものだと考えていただけるといい。
つまり、ひとつのシリコンチップとして新型のプロセッサーをつくるのではない。より小さなチップレットという部品を複数集め、その集合体をプロセッサーにしようというアイデアだ。
「業界全体がチップレットを活用する方向にシフトしていると思います」と、ペーパーマスターは語る。インテルの上級主席エンジニアであるラムーン・ナギセティーも同様の考えだ。チップレットを活用したアプローチの登場によって、「ムーアの法則は進化したのです」とナギセティーは言う。
チップレットを利用すると、半導体メーカーは従来よりも高性能なプロセッサーを、より短期間で生産できるようになるという。複数の部品を互いに接続させて組み合わせるほうが、各部品を再設計して単一のチップとして開発し直すよりも早いからである。
ナギセティーによると、この技術によって顧客の個別のニーズに応えやすくなり、例えば機械学習用に特化したチップをつくるといったことが簡単にできるようになる。グーグルの電話予約代行ソフト「Google Duplex」のような人工知能（AI）を活用した最新のサーヴィスは、AIのアルゴリズムを走らせることに特化したチップに支えられており、こうした技術には大きな需要がある。
先行するAMD
チップレットを用いると、最先端のトランジスター技術を利用しやすくなるのもメリットだ。最新技術を用いて最高性能かつ最小のトランジスターを最初から開発しようとすれば、当然ながら手間やコストがかかる。
しかし、チップレットを活用すれば、費用対効果が最も高い部分にだけ最新技術を取り入れて、そのほかの部分には信頼性が高い既存技術を用いてコストを抑えられる。それにシリコンチップは、もともと小さいほうが欠陥ができにくいという特性があるので、この点からもメリットになる。
実際にAMDは昨年、チップレットによる開発手法によってある製品を発表した。4つのチップレットを搭載したサーヴァー向けプロセッサー「EPYC（エピック）」である。
AMDのペーパーマスターによると、従来型の設計手法を採用したインテルの競合製品と比べて、EPYCはメモリーなどのバンド幅が大きくなっている。開発チームのエンジニアの試算では、EPYCと同等のものを単一のチップとしてつくった場合、生産コストは2倍になるという。
そしてAMDはサンフランシスコで11月6日に開催されたイヴェントで、より強力な性能をもつEPYCの第2世代のリリースを予告した。チップレットの数は2倍の8つになると発表されている。
インテルも積極活用へ
インテルも、このようなモジュラー設計のプロセッサーを市場に投入し始めている。チップレットを活用した開発手法はハイエンドサーヴァー向けのチップだけでなく、次世代のノートパソコンにも応用できる。
今年の初め、インテルは自社のCPUとAMDのカスタムGPUを組み合わせたモバイルPC向けプロセッサーを発表した。インテルが他社のコアを自社の主要PCプロセッサーに組み込んだのは初めてのことだ。
ナギセティーによると、パーツを組み合わせるチップレット方式を採用することで、GPUが独立したパーツである場合よりも、CPUとGPUの間で密な連携をとれるようになるという。このプロセッサーはすでにデルやHPのノートパソコンに採用されている。詳細こそ語らなかったものの、インテルはチップレット方式のプロセッサーをさらに増やしていく方針のようだ。
「インテルはチップレット技術のさらなる活用に向け、非常に詳細なロードマップを用意しています。ここにわれわれの進むべき未来があるのです」と、ナギセティーは言う。なお、インテルは今年9月、チップレット方式のプロセッサーに必要なツールや技術の開発をしているネットスピードシステムズを買収している。
チップレットの標準規格が誕生する？
米国防総省もまた、チップレットに大きな期待を寄せている。米国防高等研究計画局（DARPA）が15億ドル（約1,688億円）を投じる研究プロジェクト「Electronics Resurgence Initiative（電子技術再興構想）」では、チップレット技術が重要な研究テーマのひとつになっている。このプロジェクトは、ムーアの法則が成立しなくなっても従来と同じスピードでコンピューターの性能を進化させることを目指している。
同プロジェクトでは、チップレット技術の進展や実用化に取り組んだ大学研究者や軍需関連企業、半導体メーカーに報償金を出すことになっている。ほかにも、DARPAは別々の会社によるチップレットを組み合わせられる標準規格を設けることを目標にしている。DARPAに協力しているインテルは7月、チップレットに利用できる相互接続技術を無償で利用可能にする考えがあると表明している。
AMDのペーパーマスターは、来る「ポスト・ムーアの法則」時代の波に乗り、AMDの競争力を高めようと考えている。AMDは2003年にライヴァル社のインテルに先駆けてコンシューマーPC向けの64ビットプロセッサーを発表したが、近年は苦戦を強いられてきた。
ここ数年、クラウドコンピューター市場が急速に拡大するなかで、AMDはサーヴァー向けチップを発表してこなかった。そんななか発表されたのがEPYCだった。
AMDの復活なるか
昨年のEPYCの発表によって、AMDはわずかに市場での存在感を取り戻した。マーキュリー・リサーチの調査によると、2016年時点でAMDのサーヴァー向けチップのシェアは1パーセント未満と、2006年時点の26パーセントから大幅に落ち落ち込んでいる。現在は1.6パーセントまで回復したものの、残りはインテルが占めている状況だ。
今回発表した新型EPYCによって、AMDはこの現状を打ち破ろうとしている。このチップは、半導体受託生産大手である台湾積体電路製造（TSMC）の7ナノメートルプロセスで生産されている。アップルも最新のiPhoneで、AIを動かすチップに同じ技術を採用している。
インテルは半導体プロセスの微細化で出遅れており、来年になるまで新型チップを発売する見込みはない。ティリアス・リサーチのアナリストで半導体市場を担当するケヴィン・クレウェルは、次のように語る。「いま、AMDは歴史的な瞬間を迎えています。インテルと対等なライヴァルに返り咲けるチャンスなのですから」
