Appleは独自のGPUアーキテクチャを構築しているが、その理由は？単なるコスト削減ではなく、10年前のiOSに匹敵するほどの大きな技術的飛躍のタイミングを示唆する証拠が見受けられる。
コスト削減のためではない
Appleは少なくとも4年間、GPUプロジェクトに取り組んでいると報じられています。2013年初頭には、オーランド近郊で働く元AMDのグラフィックエンジニア12名を採用し、「GPUハードウェアのモデリング」などの職種に関する求人広告を掲載していたことが分かっています。
初代iPhoneの発売以来、AppleのモバイルGPUに採用されてきた英国のリファレンスプラットフォーム設計会社、イマジネーション・テクノロジーズの株式を既に保有しているにもかかわらず、なぜAppleは社内にGPU開発チームを立ち上げたのでしょうか？ なぜイマジネーション・テクノロジーズを完全に買収したり、その技術のライセンス供与を継続したりしなかったのでしょうか？
答えはおそらくコスト削減ではないだろう。AppleはImagination社のPowerVR GPU設計のライセンス料を比較的少額しか支払っていない。2016年度、AppleはImagination社に1億ドル未満しか支払っていない。この技術は2億5000万台以上のデバイスに使用され、1570億ドル以上の収益をもたらした。Appleが独自のGPU設計を開発するには、年間1億ドル以上の研究開発費がかかるのは間違いない。
Apple が PowerVR GPU 設計からの移行を検討している理由を理解するには、Apple が 2014 年に導入した並列グラフィックスへの移行、つまりグラフィックス タスクを GPU に駆動するための独自の Metal API (アプリケーション プログラミング インターフェイス) について考えてみましょう。
Appleは既に汎用OpenGLグラフィックスAPI（特にモバイル側ではOpenGL ES）に多大な投資を行っていました。Metalを導入した理由は、会社のコスト削減ではなく、iOS（そして後にmacOSとtvOS）の開発をAppleが実際に出荷したグラフィックス機能のサブセットに合わせて厳密にカスタマイズできるようになったためです。これにより、膨大な量の無関係なオーバーヘッドが削減され、Metalコードが利用可能なGPUをいかに効率的に活用できるかが根本的に最適化されました。
OpenGLは、OSプラットフォームやGPUアーキテクチャを問わず柔軟に動作するように設計されていました。しかし、その柔軟性がAppleにとって問題となり、パフォーマンスの最適化能力が制限されることになりました。Microsoft、Nvidia、AMDといった企業は、既に自社の強みに注力するためにOpenGLの代替技術を導入していました。MetalもAppleのプラットフォームで同様のことを行いました。
OpenGLと同様に、Imagination社によるPowerVR GPUの管理は、様々な製品カテゴリーで事業を展開する幅広いライセンシーのニーズを満たすことを目的としています。実際、この英国のチップ設計企業は長年にわたり、Appleへの依存を軽減する取り組みを行ってきました。
同社の最新の主要次世代モバイルGPU設計「Furian」は、今後2年以内にデビューする予定でした。同社はFurianについて、「ARやVRなどのアプリケーションに必要なより高いパフォーマンスポイントまで効率的に拡張できるように設計されている」と説明し、「モバイル、タブレット、自動車といった既存市場におけるリーダーシップ」をアピールしています。
Apple が将来の製品計画について厳重に秘密にしていることを考えると、Furian について深く理解していなくても、Imagination の目標が Apple が直面する将来の問題の解決に特化していなかったことは明らかだ。その理由は、Imagination がそれらの目標の詳細をまったく知らないことと、Imagination が Apple 以外のより広範な顧客層のニーズに応えることを公に模索していることである。
過去10年間、PowerVRはAppleにとってOpenGLに匹敵するほどの貢献を果たしてきました。しかし、PowerVRの汎用設計、そしてImaginationが将来の設計において目指す独自の方向性は、Appleが独自のGPUを設計していることを示しています。これは、Imaginationが他の顧客を念頭に置いて取り組んでいるGPUの無関係な目標を放棄する意図もあると考えられます。これは、AppleがMetalを導入した際にも抱いていた意図と全く同じです。
サンフランシスコGPU
Apple が明らかに機能的である現状の技術を、独自の高度に最適化された代替アプローチに置き換えたもう 1 つの例は、2014 年に導入を開始した San Francisco フォントです。Apple は、小さなディスプレイ上のテキストの読みやすさを向上させるために、Apple Watch 専用に新しいフォントを開発しました。
翌年、AppleはiOS 9とmacOS El Capitan向けにSan Franciscoのバリエーションを導入しました。それ以来、Appleはこの新しいフォントをウェブサイト、広告、企業ブランディング、さらにはキーボードの文字にまで幅広く使用しています。
Appleは以前、様々な用途で様々なフォント（主にHelvetica関連）を使用していました。カスタムメイドのフォントファミリー（少なくともラテン文字、ギリシャ文字、キリル文字）に集約することで、一連の技術的な目的を達成し、外観と文字の一貫性も確保しました。
San Franciscoの特徴の一つは、Dynamic Typeの組み込みサポートです。Dynamic Typeは、文字サイズを拡大縮小しながら、ウェイト、行間、トラッキングを調整することで、読みやすさを一定に保ちます。San Franciscoのデザインは、小型の時計からモバイルデバイス、デスクトップMac、そしてApple TVホームシアターテレビまで、幅広い用途を考慮して設計されました。
AppleはGPUの設計においても、同様に幅広いアプローチを取っている可能性が高い。サンフランシスコと同様に、AppleはiOSデバイス、Apple Watch、Apple TVといった、PowerVRが最も必要とされる特定のデバイスにおいて、PowerVRを置き換えることだけを目指しているのはほぼ間違いないだろう。ただし、最終的にはMacでもGPUの利用を目指す可能性もある。
将来のMacでは、Intel x86プロセッサからApple開発のARMベースCPUに移行するよりも、最終的にはAppleのカスタムGPUを採用する方が理にかなっているかもしれない。前者の方が後者よりもアプリ開発者の作業量ははるかに少ない。AppleのGPUは特定のユースケース向けに設計できる可能性があり、Imaginationにはその点を考慮に入れる理由がない。
Mac で使用されるかどうかに関係なく、現在 PowerVR を使用しているすべての製品で Imagination の GPU を置き換えるという Apple の明らかな意図は、そもそも PowerVRを置き換えたい理由の 1 つを説明しています。Apple GPU は、Imagination が対処する理由がない特定の使用ケースに対応するように設計できるからです。
最も分かりやすい例はApple Watchです。Apple以外には、実質的な「スマートウォッチ市場」は存在しません。ましてや、Appleの製品とほぼ同等のバッテリー容量制限を持つ、滑らかなUIを備えた300ドルの価格帯のデジタルウォッチに焦点を絞った市場など、まず存在しません。Apple Watchの主な競合は、高級機械式時計と、よりシンプルな「スマートバンド」型アクティビティトラッカーの組み合わせです。
ウェアラブルでの使用を最適化するためにスケールダウンする GPU を設計する理由は、小型の OLED 画面で効果的にスケールする汎用書体に対する需要が明らかにないのと同じです。
San Franciscoに似た点がもう一つあります。Appleは、事実上あらゆる場所でHelveticaフォントを採用する以前、主に他の企業で広く使用されているフォントを使用していました。もしAppleがHelveticaを単に採用しただけであれば、他の企業がそのアプローチを模倣し、消費者が違いを認識するのが難しくなるでしょう。
同様に、他の企業も現在、競合製品にPowerVR GPUを採用しています。注目すべき例としてはAmazonが挙げられます。Amazonは現在、PowerVR GPUを搭載した中国製MediaTekチップを搭載した低価格のFire TVを販売しています。
Apple は、Imagination と協力して TV ボックスでの使用に適した GPU 設計を開発するか (その後他の企業が利用できるようになる)、TV アプリケーションに効果的に拡張できる独自の GPU を開発するか (競合他社が恩恵を受けられない) のいずれかを行うことができます。
Apple のデスクトップ インターフェースが Microsoft に流用され、ポスト PC モバイル ユーザー インターフェースが Google に流用され、その後 Samsung に堂々と盗まれたことから、Apple には必要がないのに自社の成果を公開しない十分な理由がある。
APFS GPU
Appleが現在導入している3つ目の広範なテクノロジーは、昨年初めて発表され、iOS 10.3（最新のwatchOSとtvOSにも搭載されている模様）に既に導入されている新しいApple File System（APFS）です。今年後半にはMacにも導入される予定です。
OpenGLやHelveticaと同様に、Appleの以前のHFS+ファイルシステムは基本的に機能しており、より長くそのまま残すことができたはずです。しかし、現在のプラットフォームを強化し、将来的に求められる新機能を実現するために、修正が必要な既知の問題もありました。
Metal や San Francisco と同様に、Apple の APFS は、Apple Watch のような小型ウェアラブルからデスクトップ Mac までのニーズを考慮し、拡張できるように設計されており、iPhone、iPad、Apple TV にも対応しています。
Metal は OpenGL オーバーヘッドの不要なレイヤーを取り除くことに重点を置いており、San Francisco は Apple の製品ラインに特有のフォントのニーズに対応していましたが、APFS は既存の HFS+ を、成長と今後のニーズに対応するように設計された、基本的に将来を見据えたファイルシステムに置き換えています。
同様に、今日のPowerVR GPUは、AppleがApple WatchからiPhone、iPad Pro、Apple TVに至るまで、幅広い分野で競争力を維持できるようにしています。しかし、将来の機能に対応するために、AppleはAPFSがファイルシステムレベルで行っているような、クリーンな基盤を必要としています。HFS +と同様に、PowerVRの設計は以前の技術時代に遡ります。
HFS+と同様に、PowerVRの設計は以前の技術時代に遡ります。オリジナルの設計は90年代半ばに遡りますが、モバイル向けの派生版でさえ10年以上前に開発され、その後、世代を重ねるごとに拡張されてきました。PowerVRの「タイルベースの遅延レンダリング」はGPUの中では比較的独特ですが、ARMのMaliやIntelの統合HDグラフィックエンジンと共通するアプローチもいくつかあります。
2005年以降、モバイルテクノロジーが劇的に進化したことを考えると、イマジネーションが過去10年間に展開してきたものよりも、グラフィックスを高速化するより効果的な新しいアプローチが数多く存在する可能性は容易に想像できます。イマジネーション自身が、将来のグラフィックスに向けたスペキュラティブな次世代設計に取り組んでいるという事実からも、そのことは明らかです。
iOS GPU
Imagination の Furian が間近に迫っている今、Apple が既存の現状を打破し、グラフィックス機能を大幅に向上させるまったく新しい GPU 設計を発表するには絶好のタイミングかもしれません。
Appleは10年前、1990年代のPDAやポケベル向けに設計された10年前のモバイルプラットフォーム（Palm OS、Windows CE、Java Mobile/Blackberry、NokiaのSymbianなど）ではなく、縮小版macOSをベースにデスクトップクラスのアプリケーションを実行できる、新しいクラスのモバイル「スーパーフォン」をテクノロジーによって実現できることに気づきました。その結果生まれたのがiOSです。
同様に、Apple はモバイル デバイスとオペレーティング システムのニーズに関する知識の多くを応用して、今後 10 年間のモバイル デバイス (および Mac から VR ヘッドセット、自動車に至るまでのその他のアプリケーション) 向けのスーパー GPU を開発できる可能性があります。
Appleが新しいGPU設計に組み込む可能性のあるコンセプトの一つとして、リアルタイムの影、反射、半透明表現を備えたフォトリアリスティックな画像を実現するレイトレーシングレンダリングが挙げられる。これはイマジネーションが昨年デモを行った機能だが、どうやら採用には至っていないようだ。この技術は、モバイルゲームをより強力なデスクトップGPUに匹敵するほど印象的なものにするだけでなく、滑らかなアニメーションや高度なライティング効果によってユーザーインターフェースを劇的に向上させる可能性もある。
カスタム設計のGPUがiOSデバイスを10年前のiOS自体と同じくらい劇的に差別化できる領域は他にも数多くあります。例えば、ファイルやメモリの圧縮、ファイル暗号化、新しいリアルタイムビデオエフェクトやフィルター、機械学習といった最適化されたGPGPU関数、さらにはJavaScriptやSwiftのコンパイル、Webの高速化、iPadでのソフトウェア開発を可能にするための特別な最適化などが挙げられます。
Appleは、Aシリーズチップに搭載されたカメラ用イメージシグナルプロセッサを高く評価しており、iPhone 7はフォーカス、露出、ホワイトバランス、ノイズ低減といったタスクを「25ミリ秒で1000億回の演算」で処理できると述べている。同社はまた、ノイズキャンセリングからセキュアエンクレーブに至るまで、カスタムSoCに様々な演算エンジンを搭載している。
現在 CPU によって実行されている一部の汎用機能は、さまざまな GPGPU タスクに対応するように特別に設計された GPU コアに移動されるか、特定の新しいハードウェア アクセラレーション共同処理機能として追加され、SoC 上の CPU、GPU、およびその他の処理コア間の境界が曖昧になる可能性があります。
Appleが既にモバイルCPUコアやAシリーズチップのその他のコンポーネントの最適化において高度な取り組みを行っていることを考えると、同社がカスタムシリコンの新機能によってモバイルコンピューティングを積極的に推進していく可能性は容易に想像できます。グラフィックスに加え、Appleは電力管理（現在はDialogにアウトソーシング）にも取り組んでいるとの噂があり、最終的には独自のモデムハードウェア（現在はQualcommとIntelにアウトソーシング）のカスタマイズにも着手する可能性があります。
アップルは新しい技術を出荷できる
他の企業もモバイルGPUの将来計画に取り組んでいます。ImaginationのFurianに加え、NVIDIAはタブレットおよび車載用チップTegraの進化を目指しており、Qualcommは独自のモバイルGPU Adrenoを開発しています。SamsungはARMのMali GPUを使用しています。しかし、Appleには重要な違いがあり、将来の販売を見据えた技術を単に投機的に開発しているわけではないのです。
Appleは、他のどの企業とも異なり、既存のインストールベースへのソフトウェアアップデートと、購入者が確実に見つかるプレミアムデバイスの大量販売の両方を通じて、数億台ものデバイスに新しいテクノロジーを即座に展開できる独自の能力を持っています。Appleは、数億台ものデバイスに新しいテクノロジーを即座に展開できる独自の能力を持っています。
2012年にはモバイル製品を急速にLightning対応に切り替え、翌年にはA7でTouch IDと64ビットアプリをリリースしました。どちらも今や広く普及しています。毎年、iOSインストールベースの80%以上を最新ソフトウェアに更新し、前述のMetal、San Francisco、APFSなどの機能を導入しています。
Appleの最大のライバルであるGalaxy S8は、毎年約3億台のスマートフォンを販売していますが、そのうちプレミアムクラスのフラッグシップモデルとなるGalaxy S8はわずか4,000万台から4,500万台程度です。多くの機種は古いバージョンのAndroidを搭載したまま新品で出荷され、アップデートされることもありません。
サムスンは新しいプレミアムGPUを設計できたとしても、その普及は困難だろう。なぜなら、同社のスマートフォンのほとんどがローエンドモデルだからだ。Galaxy S8でさえ、少なくとも2つの異なるGPU設計、つまり自社製のExynos/MaliとQualcommのSnapdragon/Adrenoが混在している。サムスンはTizenスマートフォンやGalaxy Gearスマートウォッチをまとまった台数で展開することさえできないだろう。
Googleは、自社のプラットフォームソフトウェアを毎年、インストールベースのかなりの部分まで展開する能力がほとんどないことを実証しました。Microsoftでさえ、Windows 10を無償提供し、ユーザーにアップデートを強制したとしても、迅速に展開できないことを示しました。AmazonのFire Phone、HPのwebOSの実験、NVIDIAのShieldハードウェア販売の試み、そしてGoogleのNexus Q、Google TV、Pixel Cの販売への取り組みなど、多くのハードウェアメーカーも出遅れています。
Appleは、iPhone 8、Apple TV 5、Apple Watch 3など、今年中にも、根本的に新しいGPUアーキテクチャを導入し、自社の製品ライン全体に急速に導入する可能性があります。また、これまでと同様に、以前のモデルを新しいSoCでアップデートし、新しいGPUも搭載する可能性があります。
アップルは戦略的前進のためにより多くの資金を支払うことを恐れていない
Appleは、ハードウェア、ソフトウェア、あるいは統合チップのいずれにおいても、競合他社が容易に模倣できないような先進的な機能を提供するために、惜しみない投資を継続的に行ってきました。Appleがこのような独自の能力を発揮できるのは、一貫して成功を収め、利益を生み出すハードウェアのリリースによって数十億ドルもの収益を上げているからです。Appleは現在、年間100億ドル以上を研究開発費に充てています。一方、NVIDIAの研究開発費は年間15億ドル未満です。
出典: アバロン上空
現在、Appleに対する最大の不満は、極めて少量しか販売されていないハイエンドPCであるMac Proのアップデート不足です。PCやモバイル業界の他の企業は、全く逆の問題を抱えています。Mac Proのような少量しか販売されないフラッグシップ製品と、大幅な進化を遂げるだけの十分な価格が付けられないコモディティ製品しか販売していないのです。
Appleの投資の例をいくつか見てみましょう。ハードウェア分野では、AppleはAuthenTec社を3億5,600万ドルで買収し、その後、一般ユーザーがTouch IDを安定して継続的に使用できるよう、Touch IDの改良と強化にさらなる研究開発費を投じました。Motorolaの2010年モデルAtrixは、以前AuthenTecセンサーの採用を試みましたが、安定した動作が得られず、1年以内にこの機能を断念しました。
AuthenTec は、Apple 以外のベンダーも、同社の最高級の指紋センサーの部品コストの高さに難色を示していると指摘している。その主な理由は、iPhone 以外のスマートフォンは大量生産で低コスト、あるいは少量生産で高コストのいずれかであり、どちらも投機的で高価な新しい部品の使用 (または開発) をサポートしていないという点である。
Appleはハードウェア以外にも、iOSフレームワークからXcode開発ツール、そして完成したアプリ（Final Cut Pro、iMovie、そして新しいClipsといった映画制作ポートフォリオなど）に至るまで、ソフトウェア開発に数十億ドルを投資してきました。独自のOSを開発し、10年間維持しながら、これほどの収益性でリードしているモバイルハードウェアメーカーは他にありません。
Appleの競合企業、特にSamsungのソフトウェア「イノベーション」は、中核ソフトウェア技術の開発への最先端かつ生産的な投資ではなく、模倣的な小細工、薄っぺらなUIスキン、そして手抜きの基本バンドルアプリが大部分を占めています。SamsungはこれまでBadaとTizenという2つのOSをリリースしてきましたが、Androidの代替として失敗に終わりました。Samsungは世界のAndroidスマートフォンの約半数を販売しており、明らかに自社OSのリリースを望んでいるにもかかわらずです。
GoogleとMicrosoftは、モバイルOSプラットフォームに多額の資金を投入してきましたが、ハードウェア販売、OSライセンス、エコシステム関連収入など、投資を回収できていません。webOSやUbuntu Touchなど、他のモバイルプラットフォーム立ち上げの試みも、開発資金の不足に苦しんでいます。
ハードウェアとソフトウェアの接点において、Appleはシリコンにも数十億ドルを投資してきました。2008年には、独自のシリコン設計チームの構築に着手し、2010年にはA4が誕生しました。これは、Appleがそれまで使用していたサムスン製の汎用チップに勝る独自のSoCをサードパーティが提供し始めた時期と重なりました。
テキサス・インスツルメンツのOMAP、NVIDIAのTegra、そしてクアルコムのSnapdragonチップファミリーは、いずれも圧倒的な演算能力によってAndroidとWindows MobileをAppleの追い越す勢いを見せていた。Appleは追いついただけでなく、2013年には64ビットのA7の登場でモバイルデバイス業界の他の追随を許さぬ存在へと躍り出た。TIとNVIDIAは携帯電話事業から撤退し、クアルコムは苦境に立たされた。
GPU 側でも同様の飛躍が起こる時期が来ているようです。
