「4GHzの壁」に挑むIBM--「Power6」プロセッサ設計責任者に訊く

　チップのギガヘルツ競争が再燃しつつあり、IBMのBrad McCredieは、臨戦態勢を整えている。

　プロセッサメーカー各社にとって、チップの消費電力を抑えながら、その性能を実際に向上させ、しかも動作周波数を引き上げることは困難になった。その結果、IntelやSun Microsystems、Advanced Micro Devices（AMD）は、例えば、1枚のシリコン上に複数のプロセッサコアを搭載したり、スレッドと呼ばれる一連の命令群を同時に実行することなど、他の特長を強調するようになっている。

　しかしIBMは今月開かれた「International Solid State Circuits Convention（ISSCC）」で、現在開発を進める「Power6」プロセッサの動作周波数が最低でも4GHzになると発表した。これは、Intelが2004年にPentiumで達成しようとして失敗したのと同じ速度だ。

　Power6の設計主任を務めるMcCredieは、1991年にIBMのメインフレーム部門で働き始めた。その後同氏は、テキサス州オースティンにあるPowerプロセッサの開発チームに移り、IBMのUNIXサーバの心臓部の開発に携わってきた。IBMは近年、Sun Microsystemsが長きにわたって首位を維持しているUNIXサーバ市場でシェアを伸ばしたが、今後もシェアを伸ばし続けることができるどうかは、McCredieの双肩にかかっている。

　最低でも4GHzという動作速度を実現できれば、IBMは他社をリードすることになる。だが、同社はPower6の開発で壁にぶつかっている。2004年に同社はPower6を2006年に、また一段と高速な「Power6+」を2007年にリリースすると発表していた。しかし、McCredieによれば、現在Power6のリリースは2007年の予定になっているという。

　McCredieは、CNET News.comのStephen Shanklandの取材に応じ、ISSCCのために書き下ろした論文（共著）について話をした。

--IBMにとって、今回のカンファレンスでのビッグニュースは何でしたか。

　メインテーマは、Power6システムの設計でした。一般への提供までにはまだ1年ありますが、われわれがこのカンファレンスで伝えたかったのは、Power6の開発は現在もスケジュール通り進んでおり、今後もこのペースを守っていく、ということです。われわれは2001年にPower4を、次いで2004年にPower5をリリースしました。そして、Power6を2007年にリリースする計画は順調に進んでいます。今回のカンファレンスでは、パス2（第2世代のプロトタイプ）の結果を、パフォーマンスの数値を挙げて示しました。われわれは、高い動作周波数という目標に到達しつつあります。

--競合他社の多くは、ギガヘルツ競争には見切りをつけたと言っていますが。

　高い動作周波数は、とても強力なメッセージとして世の中に広まっています。高い動作周波数というものから遠ざかろうとしている人々もいるかもしれませんが、われわれは今でもそれに注力しています。われわれは、消費電力が非常に大きい回路や、ステージ数を20、30、40へと増やしたパイプラインという方向には向かいませんでした。そういった方向に進めば、動作周波数を上げるためにパフォーマンスを犠牲にすることになるからです。

--1命令を多くのさまざまなステップに分割し、それらに見合う数にまでパイプラインのステージ数を増やすことで、複数の命令を同時に処理することができるようになります。

　パイプラインのステージ数は、命令の実行が開始されてから、アプリケーションもしくはユーザがその結果を受け取るまでの遅延の指標となります（ステージ数の多いパイプラインは）食器を洗うためのシンクを、洗浄用、1回目のすすぎ用、2回目のすすぎ用・・・と複数用意するようなものです。動作周波数を上げるためにパイプラインのステージ数を増やせば、命令の処理時間が長くなってしまうのです。動作周波数を倍に上げたところで、パイプラインの数が倍になっているのであれば、パフォーマンスはそれほど向上しないのです。われわれはPower6の動作周波数をPower5の2倍に引き上げましたが、パイプラインのステージ数はPower5の場合と変わっていません。

--Power5+では90ナノメートルの製造プロセスを採用していたのに対し、Power6ではより進んだ65ナノメートルの製造プロセスを採用しています（1ナノメートルは10億分の1メートルであり、回路を小さくすることによって、チップをより小さく、より安価に製造することができる）。65ナノメートルプロセスでの結果はどうですか。

　65ナノメートルプロセスの結果にはとても満足しています。動作周波数を見れば判るように、素晴らしいものになってきています。ある論文で、最大動作周波数が5.1GHzに達したという結果も提示しました。65ナノメートルは、90ナノメートルの2倍強のパフォーマンスを達成するほど優れています。

--製品版Power6チップの動作周波数はどれぐらいになるのでしょうか。

　まだ決定する段階にいたっていません。実際に出荷するものの動作周波数は、このチップを搭載するシステム環境に応じて決定することになります。チップ環境は、システム開発の先をいく必要があります。そういったシステム環境では、消費電力や発熱量の点でそれぞれ異なった制約が課されることになります。こういったことを考慮した上で、最終的な動作周波数を決定することが可能になるのです。最終的な動作周波数は4GHzから5GHzの間になると公表しています。

--そのようなスピードをどうやって実現するのでしょうか。

　それこそ、Brian Curran（ISSCCで発表したIBMの4GHzチップに関する論文の主著者）が明らかにしたことです。パイプラインのステージ数を維持するならば、各ステージの論理回路数を半分にする必要があります。われわれは結局、回路に2倍、3倍の仕事を処理させ、一連のトランジスタに複数の機能を割り当てなければなりませんでした。これによってラッチ間のゲート遅延を半分にできたものの、さらに回路に改良を加える必要がありました。

--新しいチップは2007年にリリースする予定だそうですが、それはIBMが当初言っていた時期よりも遅いのではありませんか。

　われわれは3年毎の周期を守ろうとしています。

--4GHzチップにおいて、データ待ちによる処理サイクルの浪費が増えないよう、Power6システムをバランスのとれたものにしようと努力しているところだと推測しているのですが。

　新しいチップに合わせてシステム規模の拡張を行いました。ISSCCでは発表しませんでしたが、われわれの次世代I/Oが重要な鍵の1つとなります。また、第3世代の「Elastic Interface（EI）バス」があるため、メモリと、プロセッサ間通信の規模も拡張しているところです。さらに、車輪の回転速度を上げるだけに終わらないよう、システムの構造全体の規模を拡大することにも注力しています。

--マルチコアプロセッサがブームになっています。IBMはデュアルコアのPower4でその市場をリードしましたが、Power6ではどうでしょうか。

　重要なのは、システムのスループットを維持することと、シングルコアのパフォーマンスを維持することとのバランスです。シングルコア、シングルスレッド、単一プロセッサのパフォーマンスに依存するアプリケーションはまだ数多く存在しています。すべてのアプリケーションがマルチコア（の利点を活かすため）に移植されているわけではありません。われわれは、単一プロセッサ用アプリケーションのシングルスレッド時におけるパフォーマンスと、SMP（複数のスレッドを用いた対称型マルチプロセッシング）時におけるパフォーマンスとのバランスを取ろうと努力しているところです。これは、われわれが動作周波数の引き上げを目指した理由の1つでもあります。

--Power6のコア数はいくつになりますか。

　Power6はまだ（Power5と同様）デュアルコアチップです。しかし、Power5でそうしたように、1ソケットあたりのコア数を3つ以上にするために同チップを最大限利用していきます。

--マルチチップモジュール形式のパッケージを採用するということですか。

　その通りです。Power5は、1ソケットあたり4コアで設計されたものとしては最初に市場に登場したチップでした。

--Power6でも、1コアあたり2スレッドになるのでしょうか。

　それについてはまだ議論していません。

--Sunの「UltraSparc T1」プロセッサ（開発コード名「Niagara」）では、シングルスレッドのパフォーマンスよりもスループットがより重視されており、異なったバランスとなっています。これについてはどう思われますか。

　ここでの問題は、そういったことを推し進めて、パフォーマンスの1つの面に特化しすぎると、大抵は厄介な事態に陥るということです。アーキテクトの仕事は決して楽なものではありません。SMPのパフォーマンスにおいてスループットを向上させるといった、ただ1つのことを目指し、その他のことをすべて無視できるほど、世の中は甘くないのです。われわれは結局、トレードオフを行わざるを得ません。どの顧客もみな、マルチスレッド化されていない主要アプリケーションを1つは抱えているのです。

--Sunは、Niagaraがすべてに適していているとは言っていません。Niagaraは、ウェブサイトのホスティングやJavaプログラムといった、フロントエンドサーバ向けとなっています。

　この世界で、特化されすぎたハードウェアに大きな役割があるとは思いません。われわれは、さまざまなことが行える汎用目的のハードウェアに注力し続ける必要があります。CrayやThinking Machinesなど、科学技術計算に特化したハードウェアを構築して、事業に失敗した例は数多くあります。

--チップ内のさまざまな部分が独立したスケジュールで動作するという非同期クロックについては、どう思われますか。

　個人的には、そういった設計はあまり好きではありません。大規模なプロセッサを構築するためのわれわれのツールや検証手段の多くが使えないからです。

--最近、消費電力の増大が大きな問題になっています。Power5からPower6への進化で、消費電力はどうなりますか。

　われわれがPower6で狙うターゲットは、Power5と同じクラス、同じカテゴリです。そして、消費電力枠をPower5と同程度にすることに成功していることを明らかにしています。われわれは、Power6の消費電力をほとんどの部分でPower5と同じになるように抑えています。消費電力を押さえることは、現在誰もが高い関心を寄せていることです。