システム設計の要諦は電力管理：福田昭のデバイス通信 ARMが語る、最先端メモリに対する期待（1）（2/2 ページ）

今回から、2015年12月に開催された「IEDM2015」でARM Researchが講演した、メモリ技術の解説をお届けしよう。まずは、システム設計が抱える課題から紹介していきたい。

[福田昭，EE Times Japan]

「ムーアの法則」に従わないもの

　半導体業界を代表する経験則と言えば、「ムーアの法則」である。ムーアの法則が半導体チップの革新をけん引し、半導体システムの急速な進化を後押ししたことは間違いない。ARMが得意とする携帯電話機の分野でも、半導体チップの相次ぐ革新によってシステムが急速に進化し、携帯型コンピュータであるスマートフォンを生み出した。

　ただし、システムの構成要素には一部、「ムーアの法則」に従わないものがある。その代表は「バッテリー（電池）」だろう。例えば1998年の携帯電話機と2015年のスマートフォンを比べると、半導体とバッテリーの進化の違いがよく分かる。1998年の携帯電話機が搭載していたシステムメモリ（RAM）は64Kバイト、ストレージ（フラッシュメモリ）は1Mバイト、バッテリー容量は900mAhである。これが17年後の2015年になると、スマートフォンが搭載しているRAMは3Gバイトで1998年の携帯電話機の約4万9000倍、フラッシュメモリは128Gバイトで同様に約13万1000倍と、ものすごくく大きな記憶容量に増加している。これに対してバッテリー容量は2550mAhで、1998年の3倍にすら達していない。半導体とバッテリーの間には、進化速度にとてつもない違いがあることが分かる。

　このしわ寄せを受けてきたのが、システム設計である。具体的には、消費電力と消費エネルギーの増加を極力少なくすることだ。

1998年の携帯電話機と2015年のスマートフォン（クリックで拡大） 出典：ARM

消費電力と消費エネルギーを小さくするエコシステム。アプリケーションからデバイスまでの各層が連携して消費エネルギーをマネジメントする（クリックで拡大） 出典：ARM

　半導体の動作やデータ伝送などが、どのくらいのエネルギーを消費するかを明確にしてみよう。ここでは非常に小さな、100pJ（ピコジュール）のエネルギーで、どのくらいのことが可能かを例示する。ちなみに0.1W（ワット）の電力を1ns（10⁻⁹秒、10億分の1秒）間だけ消費すると、100pJのエネルギーになる。あるいは、1Vで10nAの低電圧微小電流を10ミリ秒だけ流したエネルギーと等しい。

　具体的に見ていこう。半導体メモリにとって100pJとは、フラッシュメモリに1ビットのデータを書き込むために必要なエネルギーである。フラッシュメモリよりも消費電力の少ないDRAMとSRAMになると、300ビット前後のデータを書き込める。無線通信は電力効率があまり良くない。消費電力が低いとされるBluetooth Low Energy（BLE）でも、1ビットのデータを送れない。わずか0.02ビットにとどまる。

　ご愛嬌なのは電気自動車（EV）だろう。シリコン（Si）原子のわずか0.05％に相当する距離しか、進めないのだ。

100pJのエネルギーで可能なことの例 （クリックで拡大） 出典：ARM

（次回に続く）