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[고토 弘茂의 Weekly 해외 뉴스]Appleのデバイスは、次の心臓となるSoC「Apple A14」 – PC Watch

ニューラルネットワーク処理に焦点を取ったA14

Appleが次世代モバイルSoC(System on a Chip)」Apple A14 Bionic」を発表した。5nm工程チップでトランジスタ数は11.8B(118億)モバイルSoCは、HiSiliconのKirin 990 5G(N7 +プロセス)で100億トランジスタ台に乗ったが、Appleも100億を超えた。

CPUコアは、櫛コーム子供2個の小さなコアが4つのヘテロジニアス(Heterogeneous:異種混合)構成で、深い学習のための行列積和算命令拡張を備える。 Arm命令セットアーキテクチャでは、「Armv8.6-A」相当と推測される。CPUのパフォーマンスは40%向上し、Appleは、説明する。

ArmのV8-A命令セットの進化
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GPUコアは、Appleのアーキテクチャのコアで4コア構成、30%のパフォーマンスの向上。 最も拡張されたのは、ニューラルネットワークエンジンユニット数はA13 8コアで16コアに倍増。 性能は11TOPS(Tera Operations Per Second)とA13の5TOPS倍以上上昇した。

チップ全体で見ると処理装置で特に強化された部分は、CPUコア内部のGEMM演算ユニットとニューラルネットワークエンジンの倍強化する。 深い学習のための機能強化版といい。 トランジスタの予算がかかる部分も、この近く推測される。

現在のプロセッサのトレンドは、特定のドメインに特化した処理能力の強化である。 現在は、半導体技術の拡張に制約があるため、アーキテクチャの性能を向上させなければならない。 プロセス技術の進歩に回路設計の基本となる標準セル密度は上がるが、それにふさわしく電力は減少するからである。

単にプロセッサコアを増やすだけでは、電力の増加を招くダークシリコンの問題を抱えている。 したがってヘビーワークロードをメインプロセッサコア群からオフロード、ドメイン固有のハードウェアの搭載が有効である。 そして、現在急増するワークロードは、ニューラルネットワークであり、そこに特化したハードウェアの強化が最適のソリューションです。

これらのトレンドを理解するには、元のA14シリコン・プロセス技術自体を知る必要がある。

最先端5nmプロセスで製造

半導体チップに見た場合のA14の最大のポイントは、5nmプロセスで製造されている点である。 Appleは、2018年A13から7nm工程に移行したが、それから2年で次の5nmの工程に移る。 AppleのAシリーズSoCは、ファウンドリの最先端プロセスをいち早く使用する製品であり、今回もそのパターンを踏襲する。 つまり、最も先進的な半導体プロセスで製造されているチップがApple A14である。

しかし、プロセスノードが1世代進んだ割にはA14のトランジスタ数は増加しなかった。 5nmのA14の11.8B(118億)と呼ばれるトランジスタ数は7nmのA13の8.5B(85億)の32%増加した。 プロセスが1ノード進行トランジスタの数が2倍になるわけではない。

モバイルSoCのトランジスタ数の推移
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これは、Appleが意図コントロールしていると推測される。 Appleの最近のAシリーズのトランジスタ数の増加は、パターンがある。 プロセスノードを移行した最初の世代のチップのダイサイズを削減し、トランジスタ数の増加も抑制する。 そして、同じプロセスノードで第2世代のチップは、ダイを少し大きくしてトランジスタ数を増やす。

例えば、7nmノード世代の最初のN7プロセスApple A12ダイが83.27平方mmで69億トランジスタ、7nmの第2世代N7PプロセスApple A13ダイが98.5平方mmで85億トランジスタである。

今回は5nmノード世代への移行の最初のチップであるため、ダイサイズを抑えるものである。 この技術は、毎年SoCを発展させなければならため、トランジスタの予算の制御であり、また、製造コストが上昇している最先端のプロセスを経済的に使用するための方法であり、チップ全体の消費電力を抑えるためでもある。 プロセスの成熟に応じて、1年後には収率がより上がっダイ拡大しやすくなる。

また、同じプロセスノードでも第2世代プロセスは、特性が改善され、その分性能と省電力が進行される。 来年(2021年)には、第2世代の5nmプロセスに移行することで、さらにトランジスタの数を増やして機能を向上させてくると予想される。

TSMCの先端プロセスとApple AシリーズSoCの関係
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TSMCの新しいメジャーノードプロセス」N5」

Apple A14の5nm工程は従来通りTSMCと思われる。 TSMCは、現在5nm世代の最初のコースである「N5」のプロセスの製造を開始している。 TSMCのN5プロセスはTSMCのプロセスの中で、EUV(Extreme Ultraviolet:極紫外線)露光技術を広く採用したプロセスである。

TSMCは7nmプロセス世代N7 +とN6のEUVを採用しているが、限られた使用がされている。 詳細については、5nmライン&スペース(配線と配線の間)を含む広くEUVを使用している。 以下はEUVにより、従来の浸水多重露出ArFエキシマレーザ光源のプロセスに比べてマスク数を5個から1個に減らすことができると説明したTSMCの図である。 マスク数を減らすことによって、原則として費用の増加を抑制し、スループットを向上させることができる。

TSMCのIEDM 2019で5nm工程でのEUVの説明。 「5nm CMOS Production Technology Platform featuring full-fledged EUV、and High Mobility Channel FinFETs with densest0.021μm2SRAM cells for Mobile SoC and High Performance Computing Applications」(G。Yeap、et al。、IEDM 2019)。 5nm EUVも1D配線であることを知ることができる

TSMCのIEDM 2019で5nm工程でのEUVによるマスク枚数の削減説明

N5プロセスのスペックは以下の通りである。 TSMCの7nm工程の最初の世代である「N7」に同じ電力であれば、15%の速度が向上し、同じ速度であれば、電力が30%低下するとTSMCは説明している。

また、論理回路の密度についてはN7でN5への移行では、モバイル仕様の場合、最大1.84倍までの密度が上がる。 SRAMセルの密度も1.35倍に上がる。 SRAM密度が1.35倍に過ぎないのに、論理回路の密度が1.8倍になるのは、プロセス技術と回路設計の協調最適化である「DTCO(Design-Technology Co-Optimization)」によって、ロジックセルの面積を小さくするためである。

TSMCによると、15%の速度は1.84倍の高密度ロジックセルで実現可能であるとする。 また、速度は、高性能コンピューティングのためのオプションである「extremely Low Vt(eLVT)」しきい値電圧のトランジスタを使用する場合には、同じ電源電圧時の最大25%の性能向上が望めているという。

ARMTechcon 2019で公開されたN5プロセスの概要

2年ごとにメジャーノードを導入するTSMCのロードマップ

ちなみに、A12のN7プロセスはA11の10nmの10FFプロセスに対して同じ電力であれば、10%の速度が向上し、同じ速度であれば、電力が35%下がるとされていた。 N7と16nm世代の16FF +を比較すると、同じ電力であれば、35%の速度が向上し、同じ速度であれば、電力が60%下がるとされていた。 また、論理回路の密度は、16FF +でN7で3.3倍になっていた。 これらの比較を視覚化すると、以下のようになる。

TSMCの各先端プロセスの相対スペック比較して、N7を1とした場合
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このように見ると、ロジックセルの大きさは、プロセス世代毎に順調に小さくなり、トランジスタ密度が高く、性能/消費電力も順調に増加していると思われる。 トランジスタ密度は、実際にプロセススケーリングはここまで上げることができない。 したがってDTCOによって標準セルのサイズを小さくすることにより、ロジック密度を上げる。 これが現在のプロセス技術のトレンドである。 TSMCのN5も、この流れに沿っている。

DTCOによるスケーリング
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ちなみに、TSMCの先端プロセス全体を見ると、以下のようなロードマップがある。 各プロセスの帯の端が試験生産的なリスク生産(Risk Production)の開始時期、ノード数の周囲が本格量産(Volume Production)の開始時期である。

現在TSMCの次世代3nmプロセスの開発を進めている。 また、並行して5nm工程の改良版である「N5P」と派生プロセス “N4″の開発もしている。7nmもA12を生産したN7とA13を生産したN7PほかAMDが採用した「N7 + “これから起こり得るプロセス「N6」が続いている。このロードマップに沿っている場合、A15はN5P、A16は、N3プロセスが予想される。

TSMCの10FF移行プロセスのロードマップ

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Nakama Shizuka

"フリーランスの学生。微妙に魅力的な料理の達人。トータルベーコンの先駆者。旅行の第一人者。自慢のオーガナイザー。"

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