ノートパソコン、**、タブレット端末は、年々安価で洗練された高性能なものになり、バッテリー駆動時間も長くなっています。なぜそうなるのか、デバイスはいつまでも進化し続けられるのか、疑問に思ったことはありませんか？

最初の疑問に対する答えは、研究者が発見した3つの法則、すなわちムーアの法則、デナールのスケーラビリティの法則、クミの法則によって説明される。これらの法律がコンピューティングに与える影響と、今後私たちにもたらす可能性について、詳しくご紹介していきます。

ムーアの法則は何ですか？

日頃からご愛読いただいている方なら、謎の多い「ムーアの法則」をご存知でしょう。

インテルのCEOで共同創業者のゴードン・ムーアは、1965年に初めてこの技術を紹介した。

彼は、チップ上のトランジスタの数はおよそ2年ごとに倍増し、コストは年間20〜30％削減されると予言した**。1971年に発売されたインテルの最初のプロセッサは、2,250個のトランジスタを搭載し、面積は12平方ミリメートルであった。現在のCPUは、1平方ミリメートルあたり数億個のトランジスタを搭載しています。

予測から始まったムーアの法則だが、業界ではロードマップとして採用されたこともある。この50年間、この法則の予測可能性によって、企業は長期的な戦略を立てることができた。たとえ計画段階で不可能な設計であっても、ムーアの法則によって、やがて商品が提供されると知っていたからだ。

これは、ゲームグラフィックの向上やデジタルカメラのメガピクセル化など、さまざまな分野に影響を及ぼしています。

しかし、この法律には賞味期限があり、進展は鈍化しています。しかし、ムーア自身は、「今世紀末には、このような方法は通用しなくなる」と考えている。しかし、これは技術の法則の中で最初に消えるものではありません。

ダニーはどうしたんだ？

1974年、IBMの研究者ロバート・デナード（robertdennard）は、トランジスタが微細化しても、消費電力は面積に比例することを確認した。

デナード・スケーリングとは、1年半ごとにトランジスタの面積を50％削減し、その結果、クロック速度が40％向上するが、消費電力は同じレベルであることを意味することが知られている。

つまり、1ワットあたりのコンピューティングは指数関数的に、しかし確実に成長し、トランジスタはより速く、より安く、より少ない電力で動作するようになるのです。

デナード・スケーリングの時代には、チップメーカーにとって、性能向上は予測可能なプロセスだった。CPUにトランジスタを増設し、クロック周波数を上げただけである。

3.0GHzで動作するプロセッサは2.0GHzで動作するプロセッサよりも高速であり、プロセッサは常に高速化しているのです。実際、ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductors）は、2013年までにクロック周波数が12GHzに達すると予測しているのだ！（※1）。

しかし、現在、市場に出回っている最高のプロセッサの基本周波数は4.1GHzに過ぎない。なぜ、このようなことが起こったのだろうか。

デナード・スケーリング終了

2004年頃、トランジスタの微細化に消費電力の低減が追いつかず、クロックスピードは泥沼に陥った。

トランジスタが小さくなりすぎて電流がリークし始め、オーバーヒートや高温になり、エラーやデバイスの破損につながる。コンピュータのチップにヒートシンクがあるのは、このためです。デナールスケールは物理法則が定めた限界に達している。

より多くのコア、より多くの質問

お客様や業界全体がスピードアップに慣れていく中で、チップ**メーカーは解決策を必要としていたのです。その結果、性能を向上させ続ける方法として、プロセッサにコアを追加するようになったのです。

しかし、マルチコアは、単に1つのコアユニットのクロックを上げるだけでは効果がありません。ほとんどのソフトは多重処理を生かすことができない。さらに、メモリキャッシュと消費電力がボトルネックとなる。

マルチコアチップの開発は、ダークシリコンの到来を告げるものでもある。

シリコンの暗黒時代

同時に多くのコアを使うと電流が漏れて、シングルコアのチップでデナードファウリングが発生した過熱問題が復活することがすぐに判明した。

その結果、マルチコアプロセッサは、すべてのコアを同時に使用することができません。ダークシリコン」と呼ばれるプロセスでは、コアを増やせば増やすほど、チップのトランジスターに電力を供給したり、速度を落としたりする必要が出てきます。

つまり、ムーアの法則によってチップに搭載できるトランジスタの数が増え続ける一方で、ダークシリコンはCPUの実領域を食いつぶしているのだ。その結果、コアを増やしても、すべてのコアを同時に使うことができないので、無意味になってしまうのです。

マルチコアでムーアの法則を維持するのは、行き詰まりを感じているようです。

ムーアの法則の続き方

javaやC++など、シングルコア用に設計された言語は、同時並行処理に適したGOに取って代わられるでしょう。

また、FPGA（Field Programmable Gate Array）は、購入後に特定のタスクに合わせて再構成できるカスタマイズ可能なプロセッサーであり、その利用を追加することも可能です。例えば、FPGAは映像処理に最適化することもできますし、人工知能アプリケーションの実行に特化したチューニングを施すことも可能です。

グラフェン**トランジスタのような異種材料を使うことも、ムーアの予測をさらに生かすために研究されている分野である。そして、量子コンピュータはゲームに革命をもたらすかもしれません。

未来はクミの法則のもとにある

2011年、Jonathan Koomey教授は、ピーク出力エネルギー効率（プロセッサが最高速度で動作したときの効率）が、ムーアの法則が示す処理能力の軌跡に呼応していることに着目した。

クミの法則とは、1ジュールあたりのエネルギーの計算値が、1940年代の真空管から1990年代のノートパソコンまで、1.57年ごとに確実に2倍になる、というものである。つまり、19ヵ月ごとに使用する電池が半分になり、10年ごとに計算に必要なエネルギーが100倍になるのです。

デスクトップやノートPCの世界ではムーアの法則やデナードスケールが非常に重要ですが、プロセッサの使い方は大きく変わり、クミの法則が約束するエネルギー効率の方が、あなたにとってより適切かもしれません。

あなたのコンピュータライフは、ノートパソコン、**、タブレット端末など、多くのデバイスに分かれているかもしれません。コンピュータが急速に発展している現在、マルチコアプロセッサからより多くのGHzを絞り出すことよりも、バッテリーの寿命とワットあたりのパフォーマンスが重要になってきています。

同様に、クミの法則のエネルギーコストへの影響は、大規模なクラウドコンピューティング・データセンターへの処理委託が増えるにつれ、ハイテク企業にとって大きな関心事となる。

しかし、クーミーの法則で示される業界全体でのエネルギー効率の倍増は、デナード・スケールの終焉とムーアの法則の減速により、2000年以降は鈍化しています。クーミーの法則は現在2.6年ごとに提示されていますが、10年間でエネルギー効率は100倍どころか16倍にしかなっていません。

Cumiの法則がDenardとMooreの法則に続いて日没を迎えたと言うのは早計です。2020年は、AMDがAMD Ryzen 7 4800Hプロセッサが2014年のCPUに比べて31.7倍のエネルギー効率を達成したと報告したことにより、Cumiの法則はタイムリーに大幅に改善されたのです。

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クミの法則を拡張するための効率の再定義

ピーク出力電力効率は計算された効率を評価する方法のひとつに過ぎず、現在では廃れている可能性があります。

この指標は、コンピュータが希少で高価な資源であり、ユーザーやアプリケーションによってしばしばその限界まで追い込まれていた過去数十年間において、より適切なものであったと言えます。

現在、ほとんどのプロセッサは、ビデオゲームを実行するときなど、その生活のごく一部において最高のパフォーマンスで動作しています。その他の作業、例えば情報の閲覧やウェブのブラウズなどは、もっと少ない電力で済みます。そのため、平均的なエネルギー効率が大きな関心事となっています。

クーミーは、この「典型的な効率」を、1年間に行われる操作の回数を総使用エネルギーで割って算出し、これが彼の当初の定式化で使われた「ピーク効率」の基準に取って代わるべきであると主張したのである。

この分析結果はまだ公表されていないが、2008年から2020年にかけて、一般的な使用効率は1.5年程度ごとに2倍になり、クーミーの法則はムーアの法則全盛期の最適レベルに戻ると予測されている。

クミの法則の一つの意味は、デバイスの小型化と消費電力の低減が進むということです。小型化を進めながらも高速性を維持するプロセッサーは、近い将来、背景の熱や光、動きなどの環境から直接エネルギーを取り出せるほど低エネルギーになるかもしれません。

このユビキタス処理デバイスは、真のIoT（Internet of Things）時代を切り開く可能性を秘めており、スマート**が1940年代の真空管のような巨大なものに見えてしまうほどです。

しかし、科学者やエンジニアが「典型的な使用効率」を最適化するための新しい技術をどんどん発見し、実装していけば、コンピュータの総エネルギー消費のこの部分が劇的に減少し、典型的な使用レベルではピーク出力だけで十分な測定が可能になるかもしれないのです。

この場合、クーミーの法則は、いずれムーアの法則を遅らせる物理法則に出会うことになる。

熱力学の第二法則を含むこれらの物理法則は、クミの法則が2048年に終了することを意味している。

量子コンピュータがすべてを変える

その頃には、量子コンピューティングはかなり進んでいて、単一原子ベースのトランジスタが一般的になっているはずだ。そして、新しい世代の研究者が、コンピューティングの未来を予測するために、別の法則を発見する必要があるだろうというのが、良い知らせである。