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TEXT：鈴木雅暢

Intel Penryn ＆ AMD Phenom

アーキテクチャ総まとめ

Core 2 Duo E8000、Phenomを含めた最新CPUの性能検証は後ほど詳しくお送りするが、ここではまず、Core 2シリーズとPhenomのアーキテクチャ的な部分についてまとめておこう。

Intel Core 2 Extreme QX9650
コア数	4
システムバス	1,333MHz
動作周波数	3GHz
2次キャッシュ	6MB×2
3次キャッシュ	－
製造プロセスルール	45nm

AMD Phenom 9600
コア数	4
システムバス	3,600MHz
動作周波数	2.3GHz
2次キャッシュ	512KB×4
3次キャッシュ	2MB
製造プロセスルール	65nm

■	Core 2 Duoに流れるモバイルCPUのDNA

　Core 2 Duoは、Pentium Dに代わってIntelの現在の主力CPUだが、内部的な構造はPentium 4/Pentium Dとはまったく異なっており、Pentium 4とは別のベクトルで進化してきたPentium M、Core Duo/Soloといったモバイル向けCPUの流れをくむ。と言うのも、製造技術（プロセスルール）の進化の過程で大きな誤算があり、動作クロックを高速化することに強くフォーカスしたPentium 4/Pentium D（NetBurstアーキテクチャ）から方向転換し、電力効率を重視せざるを得なくなったためである。

　Core 2 Duoの内部構造は「Coreマイクロアーキテクチャ」と呼ばれ、Core 2 Duoの革新性の象徴である。ただ、デスクトップ向けCPUとしては確かに大きな革新であったが、それまでのモバイル向けCPUの技術の延長線上にあるものでもある。PentiumIIIをベースに、命令処理の流れを徹底的に洗い直し、電力効率を最重視してリファインしたのがPentium M。その電力効率をさらに改良しつつ、共有型2次キャッシュ、コア単位の省電力ステート管理などデュアルコアに最適な拡張を施したのがCore Duo。そして、Core 2 Duoは、デスクトップ向けを意識し、主にパフォーマンスアップにフォーカスしてCore Duoに改良を施したものと言える。

　Coreマイクロアーキテクチャの特徴的な部分としては、Pentium Pro（P6アーキテクチャ）以来、ずっと3本だった命令実行のパイプラインを4本に拡張したこと（ワイド・ダイナミック・エグゼキューション）だ。さらに特定の条件を満たした二つのx86命令を一つの命令として扱うことで、1サイクルで実行できる命令数を増やし、クロックあたりの性能を高めている。

x86命令を処理するデコーダ（パイプライン）を四つとするなど、Coreマイクロアーキテクチャでは内部構造に大幅な変更が加えられた

　もう一つの柱と言えるのが、共有型2次キャッシュ。2次キャッシュをコアごとに持たず、二つのコアで一つの2次キャッシュを共有する仕組だ。コアごとにキャッシュを持つ場合、二つのコアで同じメモリ内容を使用する場合にはコア間で通信して内容のチェックを行ない、必要な場合にはメインメモリ経由でデータを読み直すロスが生じるが、共有キャッシュではそういうロスは発生しない。また、二つのコアで容量を等分せず、3MB＋1MB（2次キャッシュ4MBの場合）というように容量を柔軟に使える点もメリットだ。

IntelのクアッドコアCPUは、デュアルコアのダイを二つ貼り付けたような構造となっている。ダイの異なるコア同士はシステムバスを通じてデータのやり取りを行なうため、大量のメモリアクセスなどがあると、ボトルネックになることがある

コア四つを一つのダイに収めたAMDのクアッドコア。コア同士のやり取りはダイ内部のクロスバースイッチを用いるため、システムバスの帯域を消費することはない。メモリコントローラもCPUに内蔵しており、メモリアクセス性能も優秀だ

■	高クロックを可能にした45nmプロセスルール

　Penrynファミリーのマイクロアーキテクチャは「“Enhanced”Core Microarchitecture」と呼ばれるように、従来のCoreマイクロアーキテクチャのマイナーチェンジ版である。具体的には、通常の約2倍の割り算性能を持つRadix-16除算器の搭載や共有型2次キャッシュの増量、SSEデータの並べ換えを高速にするSuper Shuffle Engineの導入、SSE4.1のサポートなどが挙げられる。モバイル向けCPUではDeep Power Downという新たな省電力モードも追加されている。

　もっとも、Penrynファミリーのアドバンテージは、マイクロアーキテクチャよりも製造技術にある。45nmプロセスルールの採用だ。プロセスルールは「半導体の露光マスクにおける最小配線間隔」などと説明されることが多いが、Intelの場合はそれも含めた半導体製造技術全般の総称として使っている。45nmプロセスルールの大きな特徴は、90nmプロセスルール以来、Intelが悩まされてきたリーク（漏れ）電流の大幅な低減を実現したことだ。リーク電流というのは、トランジスタのスイッチが「ON」でないときでも流れてしまう電流のこと。これが消費電力の増大を招き、高クロック化の大きな障害になっていた。

Penrynファミリーはプロセスルールを45nmへと縮小することによって、消費電力の削減を可能とした。クロックの向上も見込まれている

　そのリーク電流の低減に大きく貢献しているのが、High-k（高誘電率）ゲート絶縁膜とメタルゲート電極だ。絶縁膜を厚くすることで絶縁を強化し、リーク電流を減らすというアプローチだが、絶縁膜を厚くしただけではスイッチがONのときに電流が流れにくくなるため、誘電率の高いHigh-k素材を絶縁膜として使っている。しかし、そのHigh-k素材はシリコンベースのゲートとは相性が悪いため、ゲート電極に金属を利用したメタルゲートを開発し、利用しているというわけだ。その結果として、消費電力を据え置いたまま、これまで以上の高クロック化（性能を固定した場合には低消費電力化）の余裕ができたというわけだ。