トランスメタ社が「Efficeon」でパソコン市場に再挑戦

2004年1月号

トランスメタ社が「Efficeon」で
パソコン市場に再挑戦

米トランスメタ社が、一度は敗れたパソコン市場に再挑戦する。Pentium 4互換のマイクロプロセッサー「Efficeon（イフィシオン）」を開発し、サンプル出荷を始めた。Efficeonは256ビットのVLIWアーキテクチャーを採用し、最大で8個の32ビット命令を1クロック・サイクルで実行する。また開発中の低消費電力技術を内蔵する派生品を、今後出荷する予定である。（本誌）

ケビン・クレウエル	米マイクロプロセッサー・レポート誌＊　シニア・エディター
Kevin Krewell	Microprocessor Report Senior Editor

Microprocessor Reportとは
プロセッサー技術の専門ニュースメディア

　米Microprocessor Report誌（英文）は、EDN Japanと同じリード・エレクトロニクス・グループが発行しているプロセッサー技術の専門ニュースメディアです。米Microprocessor Report誌のご好意により、同誌のニュース解説記事をEDN Japanは毎月独占翻訳掲載しています。
　このほどEDN Japanは、Microprocessor Report誌のご購読受け付け業務を日本国内在住の皆さまに向けて開始しました。プロセッサー技術の詳細を誰よりも早く入手できる専門メディアをこの機会にお試しください。

　x86系プロセッサー互換のマイクロプロセッサー「Crusoe（クルーソー）」が華々しく登場したのは3年も前のことである。米トランスメタ社＊はようやく、x86互換の次期マイクロプロセッサーを開発した。同社はこのマイクロプロセッサー「Efficeon（イフィシオン）」（型名はTM8000ファミリー）＊1）で採用した技術の詳細を、2003年10月に米国で開催された マイクロプロセッサー・フォーラム＊で発表した。
　Efficeonは新しいマイクロアーキテクチャーを備える。実行パスは広がり、リソースは増え、再設計された命令セットを備え、より高性能な入出力インターフェースを搭載した。
　EfficeonはCrusoeに比べ、より高い周波数で動作する。また同じ程度の消費電力で、はるかに高い性能を実現する見込みだ。中でも重要なのは、トランジスタのリーク電流を減らす技術「LongRun2」である。この技術の内容も、マイクロプロセッサー・フォーラムで公表された。ただし、製品にはまだ搭載されていない。

パソコンに参入する最後の機会

　トランスメタ社にとってEfficeonの販売は、パソコン向けのx86互換マイクロプロセッサー市場に食い込む最後の機会となる。前品種のCrusoeは、販売先をパソコン市場から、組み込み市場へと移行せざるを得なかったからだ。米インテル社のPentium（ペンティアム）Mプロセッサーによって失った市場を、Efficeonで取り戻す。
　Efficeonが目標としている性能と最大動作周波数は、トランスメタ社がマイクロプロセッサーを売り込める応用範囲を広げるとともに、同社が切実に願っている売上増をもたらす可能性を秘めている。
　Efficeonの性能向上は、新しい VLIW＊命令セットの開発、DMA＊転送などのハードウエア化、複数の機能ユニットの追加などによって実現した。また1次キャッシュ・メモリーの容量を128Kバイトと大きくし、2次キャッシュ・メモリーの容量は1MバイトとCrusoeの2倍に増やした。
　チップ・セットのサウス・ブリッジ・チップとはハイパートランスポート・インターフェースで接続する（図1）。このために米AMD（アドバンスド・マイクロ・デバイセズ）社からハイパートランスポート技術を導入した。同技術は現在、AMD社のx86互換64ビット・マイクロプロセッサー（「Opteron（オプテロン）」と「Athlon（アスロン）」）だけでなく、米マイクロソフト社のテレビ・ゲーム機「Xbox」と、米アップルコンピュータ社のデスクトップ・パソコン「G5」にも使われている。

　Crusoeのサウス・ブリッジ・チップは 台湾のALi社＊が開発、提供していた。現在はALi社の子会社であるULiエレクトロニクス社によって販売されている。Efficeonのサウス・ブリッジ・チップは、米エヌビディア社＊も供給する。このため、同社とトランスメタ社はパートナー契約を結んだ。
　エヌビディア社は、Efficeonをサポートできるプロセッサー「nForce3 Go120」を2003年10月に発表した ＊2）。このプロセッサーはメディア処理プロセッサーと通信プロセッサーの両方の役割を担う。22mm角と小さなパッケージに封止してある。一方、台湾のULiエレクトロニクス社はハイパートランスポートをサポートするサウス・ブリッジ・チップ「M1563」をすでに供給中である。このチップも、Efficeonと組み合わせて使える。
　インテル社のPentiumプロセッサー以降、最近のx86互換プロセッサーはすべて、その名称が話題となった。Efficeonも例外ではない。トランスメタ社は、効率的な処理（efficient computing）を印象付けるために、Efficeonという名称を付けた。しかしCrusoeに比べると珍しくはなく、興味を引かないようだ。

コード変換ソフトを大幅に改良

　トランスメタ社はEfficeonの開発にあたって、コード・モーフィング・ソフトウエア＊のモデルを再検討し、設計し直した。
　同社は明らかに、CrusoeからEfficeonまでの3年間を、マイクロプロセッサーを注意深く改良するために費やした。Crusoeを開発した小規模な設計チームは、パソコン・システムで動的にコードを変換することのトレードオフを研究するために、多くのツールを開発した。x86のコードとCrusoeのVLIWコードの両方をプロファイリングするためである。Crusoeの開発によるこういった経験の積み重ねが、EfficeonのVLIWプロセッサー・コアと新しいコード・モーフィング・ソフトウエアの設計に生かされた。消費電力をそれほど増やさずに、性能を大きく高めるためにである。
　コード・モーフィング・ソフトウエア（CMS）の新しいバージョンは、「CMS バージョン6.x」として出荷される。バージョン6.xは、Efficeonのマイクロアーキテクチャーと命令セットをサポートする。
　コード・モーフィング・ソフトウエアによる命令の変換と最適化、実行の手順を、トランスメタ社は自動車の変速機に例えて説明している。変速機の状態は「1速」から順に、「2速」、「3速」、「4速」まである（表1）。
　「1速」では、コード・プロファイリングをより良く実行するため、プログラム・コードの実行に関する情報を従来よりも数多く収集する。また、メモリーに対するロード/ストア命令の分類を実行する。通常のメモリーとは異なる扱いが必要な、メモリーにマッピングされた入出力を検出するためである。
　Efficeonの命令セットは、Crusoeに比べると格段に強化された。新しい命令と新しいアドレシング・モード、そしてエミュレーションの高速化を目的とした複数個の特殊命令が追加されている。例えばCrusoeではインタープリター（1速）に相当するソフトウエアの内部ループは、Efficeonではハードウエアで実行する1個の新しい「execute」命令に取り込まれる。この命令は、実行すべき命令をパイプラインを通過する順番に組み立て、演算コードとレジスター・フィールドをアセンブルし、最後にこの新しい命令を実行する。トランスメタ社は、「1速」において実行できるx86命令の数はCrusoeの3～4倍に増えるとともに、必要とするキャッシュの容量が大幅に減少すると主張する。
　コンパイラーの最適化では、メモリー・マッピングされた入出力が作業の障害となることが多い。Efficeonは、メモリーのロード/ストア先がメモリーなのか、入出力なのかを検出する機能を備える。またメモリーからの複数回のロードを、不必要なトランザクションとして省略できる。なお、CrusoeのVLIW命令のいくつかは、演算速度を向上させるために削除されている。コード・モーフィング・ソフトウエアがVLIWとx86を仲介しているので、同社はCrusoeとの互換性を気にせずに、Efficeonプロセッサー・コアの命令セットを自由に修正できた。
　「2速」では、Efficeonのコード・モーフィング・ソフトウエアが最適化ブロック中で最大100個のx86命令を変換する。この最適化ブロック領域は、「リージョン（regions）」と呼ばれる。この領域は、通常のコンパイラーやハードウエア・ディスパッチャーの最適化ブロックに比べ、はるかに大きい。
　コード・モーフィング・ソフトウエアはまた、分岐を削除できる。この削除は、ループ・アンローリングと再コンパイリング（あまり出てこない分岐のためにトラップを仕掛けておく）、命令の予測によって実行する。さらに、実行プロファイル情報を収集できるようにコードを再生成し、それから実行効率向上のためにコードを再変換できる。同社はこの過程を、アダプティブ・リトランスレーションと呼んでいる。
　「3速」では2速のリージョン内でさらに最適化を進める。そして「4速」では、より高い性能を得るために、複数のリージョンにまたがってコードの最適化を実行する。なお同じVLIWアーキテクチャーのマイクロプロセッサーであるインテル社の「Itanium（アイテニウム）」＊3）は、x86コードを実行時に最適化する機能を備えていない。

Pentium 4と命令互換

　Efficeonの開発における重要な改良点に、Pentium 4プロセッサーの命令セット・アーキテクチャーを追加したことがある。この追加命令には、MMX＊命令、SSE＊命令、SSE2命令を含む（図2、図3）。Crusoeでは、Pentium ⅢプロセッサーおよびPentium 4プロセッサーのメディア処理性能を高める機能であるSSEをサポートしていなかった。
　SSE2のサポートによってEfficeonのアーキテクチャーは、Athlon 64プロセッサーやPentium 4プロセッサー、Pentium Mプロセッサーのアーキテクチャーと同等に高められた。もちろんAthlon 64プロセッサーとは異なり、64ビット命令はサポートしていない。ただしトランスメタ社はAMD64命令セットのライセンスを得ており、必要とあらば、この命令セットを取り込める。
　EfficeonのMMX命令実行性能は、Crusoeの4倍に高められている。命令実行のレイテンシーをCrusoeの4クロックからEfficeonでは2クロックに短縮し、またマルチメディア機能ユニットを2個に倍増することで達成した。2個のマルチメディア機能ユニットが、MMX命令とSSE命令、SSE2命令をサポートする。
　メモリー・インターフェースとしてはDDR　400に対応したSDRAMインターフェースを備える。メモリー・モジュールではPC3200に相当する。メモリー・コントローラーがサポートする最大主記憶容量は4Gバイトである。またオプションで、誤り訂正コードを搭載できる。これはサーバー用途で信頼性を高めるために追加された。なおCrusoeでは、DDR　266 SDRAMとDDRでないSDRAMのインターフェースにとどまっていた。
　メモリー・コントローラーの内蔵によって生じそうな問題点が AGP＊、対応グラフィックス・アクセラレーターLSIが主記憶にアクセスするときのレイテンシーの増大である。同社は、Efficeonプロセッサーに4倍速のAGPポートを内蔵させることで、この問題を回避した。この点では、外部にハイパートランスポート対応LSIを必要とするAthlon 64よりも優れている。なおEfficeon搭載システムは、ハイパートランスポート対応LSIを通じて8倍速のAGP対応グラフィックスを扱うこともできる。
　ネイティブのEfficeon命令セットは、ネイティブのCrusoe命令セットを完全に設計し直したものである。ただし、依然としてRISC的な3オペランド・アドレス（2つのソースと1つのデスティネーション）構造とロード/ストアの概念を残している。
　Efficeonのマイクロアーキテクチャーは、実行状態の確定（コミット）を延期させる機能を備える。さらに ロールバック＊操作機能を搭載していることが、CMSにおける高度な最適化の実行を可能にしている。
　命令セットは、プレディケート（条件付き実行）操作を含む。ここでは4個の判定レジスターが分岐の削除を支援し、実行を効率化する。なおItaniumプロセッサーのアーキテクチャー（EPIC：Explicitly Parallel Instruction Computing）においても、分岐予測に伴うオーバーヘッドは重要だった。分岐を減らすことにより、予測の外れた分岐による処理の中断を減らしたい。そこでItaniumでは64個の1ビット・プレディケート・レジスターを使い、すべての命令 バンドル＊に6ビットのプレディケート・ビットを追加した。これに対してEfficeonでは、分岐予測を伴う命令が4個の判定レジスターを利用できる。
　コミットとロールバックという概念は、Efficeonにおいてはキャッシュにまで拡張されている。1次データ・キャッシュはキャッシュ・ラインの中に、ラインが投機的なストアであることを示すスペキュラティブ・ビット（投機的ビット）を有している。そのラインを回収する必要がある場合は、無効だとマーキングされ、2次キャッシュには書き出されない。2次キャッシュは、必要とあらば再ロードが可能なキャッシュ・ラインのコピーを保持し続ける。
　1次データ・キャッシュの大きさは64Kバイトである。このデータ・キャッシュは4エントリーを持つ書き込み待ち行列/ストア・バッファーと、32エントリーの ビクティム・キャッシュ＊（32バイト・ライン）、4個の32バイト書き込み連結器によってサポートされている。
　命令コードの実行形態には柔軟性がある。1つずつ実行するのでもなければ、順番通り実行する必要もない。コード・モーフィング・ソフトウエアの備える、命令実行順の入れ換え機能を利用できる。ハードウエアが複雑になるのを避けつつ、アウト・オブ・オーダー＊実行機能が提供できるのもコード・モーフィング・ソフトウエアの特徴の1つである。
　例外あるいはトラップの発生時には、コード・モーフィング・ソフトウエアは最後にコミットされたマシン状態に復帰するロールバック命令を実行する。このことよってコミット順序が変更されない「1速」の状態で再実行する。

リーク電流を動的に制御する

　トランジスタの寸法を縮小していくときの大きな課題は、リーク電流の増大をどのようにして抑えるかである。トランスメタ社は回路技術とソフトウエア技術の組み合わせによってトランジスタのリーク電流を減らす手法「LongRun2」を開発した。この技術がマイクロプロセッサー業界に与える影響は大きいものの、詳細はまだ明らかになっていない。またその特性は最終テスト中にある。Efficeonの製品にはLongRun2技術はまだ搭載されていない。
　LongRun2技術は、システムの動作時にトランジスタのしきい電圧を動的に調整する。しきい電圧の動的な制御は、数100回/秒という頻度になる。そして待機時は、しきい電圧を引き上げておく。
　同社はEfficeonの製品発表時に、Long　Run2機能を搭載した場合の効果を説明した。プロセッサー・コアのリーク電流による待機時消費電力は、わずか2mWに減少する ＊4）。この実験に使用したチップは、台湾TSMC社の標準的な130nmのCMOSプロセスで製造された。チップ・レイアウトの変更はわずかだと言う。同社はLongRun2機能の搭載にあたってLSIチップの再設計は不要であり、製造プロセスには標準的なCMOSプロセスが使えると主張している。
　LongRun2技術では、演算処理の要求に適合するように、クロックの周波数とコアの電源電圧、トランジスタのしきい電圧を動的に制御する。前身であるLongRun技術は、クロック周波数と電源電圧だけを動的に制御していた。
　LongRun2技術で実際の制御を担うのはコード・モーフィング・ソフトウエアである。このソフトウエアがチップの動的補償回路を介してトランジスタのしきい電圧を動的に調整する。しきい電圧を上げることによってリーク電流は減少するものの、トランジスタおよびプロセッサーの動作周波数は低下する。プロセッサーの負荷が重いために高速に動作させたい場合は、コード・モーフィング・ソフトウエアがトランジスタのしきい電圧を下げて動作周波数を高める。
　この技術には、トランジスタの製造ばらつきによるしきい電圧のばらつきを動的に補償できるという特徴もある。製造プロセスのばらつきに対する許容範囲を広げられるので、製造歩留まりが向上する。

25Wの2GHz品を出荷へ

　Efficeonの開発ロードマップは極めて果敢である（図4）。最初の製品にはTSMC社の130nmプロセスを利用するものの、2004年の下半期には、富士通の90nmプロセスに移行する。富士通の製造プロセスは先端的であり、トランジスタのゲート長は40nmしかない。「SPARC64 Ⅳ」プロセッサーの製造に使われる技術と同じである。
　トランスメタ社がこのロードマップ通りに製品を開発できれば、インテル社のPentium Mプロセッサーに奪われた市場をいくらか取り戻せるに違いない。130nm技術で製造する1.3GHz動作のEfficeonは、1.7GHz動作のPentium Mプロセッサー（消費電力は25W）に比べると動作周波数が低い。しかし90nm技術で製造する2GHz動作のEfficeonは、同じ90nm技術の次世代Pentium Mプロセッサー（開発コード名「Dothan」）に十分対抗できるだろう。ノート・パソコンとブレード・サーバーに使われそうだ。
　Crusoeに比べるとEfficeonは性能面で大きく飛躍した。改良されたVLIWアーキテクチャー、改良されたコード・モーフィング・ソフトウエア、オンチップのAGPインターフェース、より高速のメモリー・インターフェース、ハイパートランスポート・インターフェースなどがこの性能向上を実現している。Efficeonを搭載したシステムが登場してPentium Mプロセッサー搭載システムと比較できれば、トランスメタ社の主張を検証できるだろう。現在のところは、同社のロードマップと技術は極めて有望に見える。
（C2003-2004：In-Stat/MDR）

用語解説 / 会社情報

以下の説明はEDN Japanが作成した。

米マイクロプロセッサー・レポート誌＊
リード・エレクトロニクス・グループの米In-Stat/MDR社が発行するマイクロプロセッサー技術専門誌。ホームページ・アドレスは下記の通り。
http://www.mdronline.com/mpr/


雑誌無償購読申込み	ニュースレター登録	この記事に対する感想/ご意見


	Reed Electronics Group
	Electronic BUSINESS Japan　\|　Design Ｎews Japan　\|　Semiconductor INTERNATIONAL　\|　DETAIL JAPAN


	EDN Japanについて　\|　広告掲載について　\|　サイトマップ　\|　お問合せ

		Copyright (C) 2000-2007 Reed Business Information Japan K.K.

	個人情報に関する方針　\|　著作権・リンクについて　\|　会社情報