- 最速のプロセッサーがいかに速く命令を実行するかは驚くべきことだ。
- 我々は、最高で最先端の技術を使うことがほとんど意味をなさない理由を挙げている。
- すでにご存知の理由（財務上の理由）もあるが、見落としている理由もあるだろう。
思い浮かべてみてほしい。冷蔵庫も、時計も、トースターさえも、すべて史上最速のプロセッサーで動いている。
素晴らしい響きだろう？SF映画から飛び出してきたような話だ。でも、なぜ私たちがこのようなことをするのか、その理由を調べていくうちに、その理由がわかってきたんだ。 だめだ 実際にやってみると、"速ければ速いほどいい "というだけでなく、もっと複雑な（そして面白い！）ことがわかった。
目次
プロセッサー（CPU）の性能を理解する
プロセッサーの仕事の核心は、可能な限り効率的に命令を実行することだ。理論的には、より高いクロックスピードとより多くのコアを持つより高速なプロセッサは、すべてのデバイスを動かす理想的なコンポーネントのように聞こえる。しかし、生の速度はパズルの1ピースに過ぎない。性能は、1秒間にどれだけの演算を実行できるかだけでなく、それらの演算が実世界の条件下でどれだけ効率的に実行されるかによっても測られる。
例えば、ハイエンドのデスクトップ・コンピューター用に設計されたプロセッサーは、重いマルチタスクや集中的なアプリケーションに優れているかもしれない。しかし、そのプロセッサーをモバイル・デバイスにスワップした場合、性能の利点を上回る問題が発生するかもしれない。
理論上の最高速度と現実的で持続可能なパフォーマンスとの間のギャップは、エネルギー効率、発熱、作業負荷要件などの要因によって埋められる。設計に対するこの微妙なアプローチは、最速のプロセッサーが万能のソリューションでない理由を説明するのに役立つ。それでいいのだ。
物理学の専制：熱と電力
半導体物理学の核心には、基本的なトレードオフがある： クロック速度と放熱の関係.トランジスタがスイッチングするたびにエネルギーが消費され、熱が発生する。クロック周波数を上げると、必要な電力は周波数の2乗に比例して増加する。
巨大なヒートシンクと複数のファンを搭載するスペースがあるデスクトップタワーでは、数十ワットから数百ワットの熱出力を扱うことができる。
しかし、わずか数ミリの厚さのスマートフォンのシェルにそのような熱予算を詰め込もうとすると、文字通り熱いレンガを抱えることになる。さらに悪いことに、過度の熱はデバイスを不快にさせるだけでなく、シリコン自体の摩耗を早め、動作寿命を縮める。
ほとんどの場合、製品やチップの設計者は、熱設計消費電力（TDP）が厳しい熱エンベロープに収まるプロセッサを選択し、性能と信頼性の高い放熱のバランスを取らなければならない。
高すぎる熱は性能を損なうだけでなく、部品の寿命を縮め、ユーザーの安全性を損なうこともある。そのため設計者は、過剰な熱を発生させずに「十分な」性能を発揮するプロセッサを選ぶことが多い。
つまり、最速のプロセッサーは実験室では存在するかもしれないが（オーバークロックコンテストと読んでほしい）、スペースが限られ、熱管理が重要な課題であるデバイスには必ずしも最適ではないということだ。ここでのトレードオフは、デバイスの冷却、安全性、快適性を確保しながら性能を最適化するという、バランスを取る行為である。
メーカーは、次のような特別なアーキテクチャを開発してきた。 ARMのbig.LITTLEEコンフィギュレーションこのシステムでは、ハイパワーコアがエネルギー効率の高いコアと対になっている。システムは、コンピューティングの要求に応じてこれらのコアをインテリジェントに切り替え、必要なときには高性能を発揮し、タスクの集中度が低いときにはバッテリー寿命を節約するというバランスを実現する。このようなダイナミックな電力管理は、現代のモバイル・コンピューティングの鍵である。
ポータブル機器ではバッテリーの寿命が最も重要である
熱的制約と直結しているのがバッテリー寿命だ。現代のユーザーは、スマートフォンは1回の充電で1日中持ち、ラップトップは8時間以上、ウェアラブルは数日から数週間稼働することを期待している。
高速プロセッサーは電力を大量に消費し、最大クロック近くで動作させると数百ワットになることもある。これとは対照的に、よく設計されたモバイルSoCは、「一日中」という約束を達成するために酷使される場合、通常5W未満の電力しか必要としない。
このような妥協がなければ、携帯電話は1時間で死ぬか、現在の半分の厚さと重さのバッテリーが必要になる。これでは、勝ち目のあるトレードオフとは言い難い。パワフルで効率的なプロセッサーを設計することは、並大抵のことではない。
収穫の減少：メガヘルツを増やすごとにコストがかかる
自動車販売店で、最高速度を1マイル上げるごとに価格が急騰していくと想像してほしい。クロックスピードを4.0GHzから4.5GHzに上げるには、製造にわずかな変更しかかからないかもしれないが、5.0GHzから5.5GHzに上げるには、大幅な設計変更、よりグレードの高いシリコン（より高い電圧と熱に対応できるチップのためのビニング）、より厳密なテストが必要になることが多い。
特に、シングルスレッド性能をフルに活用できないアプリケーションでは、ある一定以上のメガヘルツを追加するごとに、現実のスピードアップは小さくなる。一方、エンジニアリング・リスクの増加、不良率の上昇、製造コストの増大は、メーカーのマージンとエンドユーザーの価格帯の両方を圧迫する。
我々は皆、最速のCPUを求めている *余裕がある.このアスタリスクが大きな違いを生む。
フォームファクターの制約：サイズ、重量、素材
シリコンそのものだけでなく、デバイスの筐体、ヒートシンク素材、冷却ソリューションにも限界がある。スマートフォンは薄い銅製のヒートスプレッダを使用し、放熱の一部を金属フレームと背面ガラスに頼っている。ゲーミング・ノートPCにはベイパー・チャンバーやファンが搭載されているかもしれないが、それでもデスクトップのエアフローに最適化されたケースの冷却能力には及ばない。
ウェアラブルやIoTガジェットでは、アクティブ冷却の余地がまったくないことが多い。設計者は、未加工の計算能力と、デバイスの形状、重量、素材などの物理的現実との間でトレードオフを行わなければならない。
多くの場合、デバイスのサイズと重量によって使用できるCPUが決まる。そして、より頑丈なものを使うことは、勇敢なことではなく、設計上の誤った判断であることが多い。
専用プロセッサーと汎用プロセッサー
多くの領域で、「スピード」の最先端は専門化から生まれる。例えばGPUは、数百から数千の小さなコアと、広いSIMDユニット、高帯域幅のメモリーを、グラフィックスのレンダリングや科学計算のようなタスクに割り当てている。グーグルのTPUやその他のAIアクセラレーターは、ディープラーニングのワークロードを高速化するために行列乗算エンジンを追加している。
しかし、これらのアーキテクチャは、狭い、非常に特殊なタスクのために最適化されており、並列浮動小数点演算は得意だが、一般的なコンピューティングには柔軟性に欠ける。
このような特殊なシリコンをすべてのデバイスに搭載することは、ウェブブラウジングや電子メールのような日常的なタスクには過剰な（そして無駄の多い）ものとなる。その代わりに、デバイスは「ちょうどいい」プロセッサを使用し、汎用的な能力とタスクに特化したアクセラレータ（ビデオデコーディングやAI推論など）のバランスをとり、重要な部分の効率を高める。
ソフトウェアとワークロードの現実
生のクロックスピードは、性能のほんの一部に過ぎない。最新のプロセッサーは、パイプラインにデータを供給し続けるために、キャッシュ階層、分岐予測、アウトオブオーダー実行、マルチスレッドに大きく依存している。
実世界の多くのアプリケーション、特にポインタチェイシングの多いもの、不規則なメモリアクセス、重いI/Oなどでは、高いクロックレートはわずかな利益しかもたらさない。
開発者やシステム・アーキテクトは、データ局所性、並列性、アルゴリズム効率のためにソフトウエアを最適化する方が、数百メガヘルツのハードウエア速度を追い求めるよりも、はるかに良い結果をもたらすことに気づくことが多い。事実、多くのデバイスは、「ソフトウェア曲線」が平坦になり始めるところでCPU性能に上限を設け、代わりにコンパイラ、ライブラリ、ランタイムシステムを微調整することを選択する。
そう、「最速」をどう定義するかも重要なのだ。仕事量によっては、まったく違うものを見ているかもしれないのだから。
チップに無理をさせなければ、信頼性と寿命は向上する
サーバーやミッション・クリティカルなシステムでは、信頼性を向上させるために、最大ビンよりもわずかに低いクロックで動作するプロセッサを使用することがある。電圧／周波数を下げてチップを動作させる（アンダーボルティング／アンダークロックと呼ばれる手法）ことで、リーク電流と熱ストレスを大幅に削減することができ、コンポーネントの寿命を延ばし、サイレント・データ破損や突然の故障の確率を減らすことができる。
家電メーカーは、返品率、保証費用、ブランドの評判を深く気にしている。すべてのチップを絶対的な限界まで酷使するよりも、すべてのユニットが典型的なユーザーの酷使、長時間のゲーム・セッション、暖かい周囲温度、ホコリへの暴露に耐えることを保証する方が望ましい場合が多い。
規制と環境への配慮
エネルギー消費と電子機器廃棄物に対する社会的関心が高まるにつれ、規制当局と業界コンソーシアムは、より環境に優しい電子機器を求める動きを強めている。エナジースターのような標準化団体は、機器の電力効率ベンチマークを設定し、メーカーにアイドル時および負荷時の消費電力を下げるよう促している。企業の持続可能性目標はさらに、機器のライフサイクルにおける二酸化炭素排出量を最小限に抑える設計を奨励している。
この文脈では、その性能が実際に必要かどうかにかかわらず、すべてのデバイスに可能な限り最速のプロセッサを使用することは、より広範な環境目標に反している。より優れた、より効率的なシリコン、アダプティブ・パワー・マネージメント、そしてデバイスの長寿命化はすべて、ピーククロック速度よりも優先される。
ユーザー・エクスペリエンスの必須条件
結局のところ、ほとんどの消費者はCPUのクロックスピードよりも、応答性、バッテリー持続時間、発熱、騒音、そして全体的な使用感を重視している。ベンチマーク・スコアでは若干遅いが、冷静さを保ち、16時間の酷使に耐える携帯電話は、テストでは速いが2時間でシャットダウンしたり、不快なほど熱いポケットヒーターになったりするものよりも、はるかにプレミアムに感じられるだろう。
メーカーはUXテストに数え切れないほどの時間を費やし、CPUスピード、GPUパフォーマンス、システムレベルの最適化をバランスさせ、実環境下で一貫してスムーズな体験を提供する。
それはしばしば、プロセッサーの最高クロックを下げて、パフォーマンスがキビキビと感じられ、熱も抑えられ、バッテリー駆動時間が期待以上に長くなるスイートスポットに到達することを意味する。
十分な速さのCPUは、「最速」のプロセッサーよりも好まれることが多い。
良いニュースは、今日の「十分な速さ」が明日には「十分な速さ」に感じられることが多いということだ。チップ設計者は、適切なハードウェアを適切なタスクに適合させるために、消費電力の大きいコアと効率の小さいコア、さらに専用のAI、グラフィックス、ビデオエンジンを組み合わせたヘテロジニアスアーキテクチャを採用する傾向が強まっている。
これにより、デバイスは必要なときに性能を拡大し、アイドル時には超低消費電力で動作する。オンザフライで動的に再構成する適応型ハードウェア、相互接続用のシリコンフォトニクス、3D積層チップレットは、さらなる柔軟性を約束する。
明日のデバイスは、1つのモノリシックな "最速 "プロセッサーではなく、それぞれがニッチな分野に秀で、単一の "ビッグ・コア "を凌駕する全体的なパフォーマンスを発揮する、多数の特化型エンジンを織り交ぜているかもしれない。
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すべてを総括する
では、なぜすべてのデバイスに可能な限り最速のプロセッサーを搭載しないのだろうか？なぜなら、"最速 "はしばしば、より熱く、電力を消費し、コストが高く、寿命が短く、環境にやさしくないことを意味し、モバイル、組み込み、民生用電子機器の現実のニーズと衝突する特性だからだ。
シリコンの能力をユースケースに適合させ、ソフトウェアを最適化し、パッケージングとパワーマネジメントを革新することで、全体として最高のエクスペリエンスを提供する。
結局のところ、ゴールは無意味なメガヘルツ競争ではなく、スムーズなパフォーマンス、長いバッテリー寿命、快適な温度、手頃な価格でユーザーを喜ばせるデバイスを作ることなのだ。だからこそ、「最大」で「最速」のCPUは、スーパーコンピューターやフラッグシップ・デスクトップでは栄光をもたらすが、日常生活には不必要（そして望ましくない）なのだ。
