A6: AppleのカスタムシリコンとiOSがどのように最適化されたのか

AppleはARMプロセッサの最初の2世代をリリースした時点で、既にモバイル向け半導体設計のリーディングカンパニーとして認められていました。その後の動きは業界を驚かせ、半導体からOSに至るまでの緊密な垂直統合戦略を明らかにし始めました。これは他のデバイスメーカーには真似できない戦略であり、手遅れになるまでその重要性すら認識されていなかったようです。

スウィフト以前のスウィフト

2012 年半ばまでに、Apple は、カスタムのワイド メモリとグラフィックス アーキテクチャを搭載した、Retina ディスプレイを搭載した第 3 世代タブレット「The New iPad」を搭載した A4、A5、新しい A5X をリリースしました。

当時、ARM の新しい Cortex A15 big.LITTLE 設計に基づく新世代のモバイル チップを提供するという業界全体の競争の中で、Apple の Ax モバイル シリコンの将来は、Texas Instruments の OMAP 5、Nvidia の Tegra 4、および Samsung の Exynos 5 と実質的に結びついていると一般に考えられていました。

ARMのリファレンスデザインは、複数の高速コアと低速コアを組み合わせ、速度と電力効率のバランスをとっています。Qualcommも同様の技術を実装した独自のマルチコアKrait Snapdragonアーキテクチャをリリースしたばかりです。

その秋、AppleはA6をリリースしました。これはCPUとGPUの性能が前年比で倍増しました。Anandtechの記事で、アナンド・ラル・シンピ氏は「AppleはSamsungの32nm LP HK+MGプロセスに2つのARM Cortex A15コアを統合したようだ」と述べ、「これはAppleがA15の市場投入でTIとSamsungに先んじたことを意味するため、非常に大きな意味を持つ」と付け加え、Cortex A15を「業界史上最高性能のライセンス供与可能なプロセッサ」と評しました。

実際には、それ以上に大きな出来事でした。AppleはARMライセンスの新しいコアの高速化版を最初に提供するどころか、デュアルコアA6向けに完全にカスタマイズされた新しい「Swift」CPU設計を開発しました。Swiftは、ARMからライセンスを取得できるどの製品よりも高速でした。

Appleの専用シリコン

さらに、Appleの新しいSwiftコアは、ARMの最先端とされるbig.LITTLEメニーコア設計コンセプト（非対称コアセットの使用を規定）にも従っていませんでした。A6では、比較的大きな2つのCPUコアが設計の大部分を占めていました。

世界で最も商業的に重要なモバイルアプリプラットフォームとして、Appleはモバイルデバイス上で実行される実際のコードをいかにして高速化するかについて独自の洞察力を持っていました。ARMのチップ設計者たちは、業界をリードするApp Storeを運営していませんでした。AppleもQualcommも、OSを開発していませんでした。

ARMの高性能コア設計は、もともとサーバー用途を想定して開発されたようです。ほんの数年前までは、モバイルデバイスがこれほど急速に高性能化し、その費用を大量の新デバイス販売による利益で賄い、シリコン開発のペースを維持できるとは誰も予想していませんでした。

Appleは2010年、タブレット端末という全く新しい、実現可能なカテゴリーを創出したばかりでした。当初はiPadとiPhoneに同じチップを2年間使用していましたが、その後、より高性能なiPad 3のグラフィックス専用にA5Xチップをリリースしました。一方、他社のチップ設計者は、まだ存在すらしていなかったタブレット市場向けにチップの性能を倍増させることよりも、新たな組み込み市場への進出を模索していました。

そのため、2012 年に Apple が他のモバイル チップメーカーに追いついたばかりのように見えたかもしれませんが、実際には、同社の iOS 戦略が希望的観測から確立された成功へと移行し始めたときに構築された、Apple 初の完全にカスタム化されたコア設計はまだリリースされていませんでした。

Appleの型破りなA6コア

ARMのbig.LITTLEは、モバイルデバイスで複数の高性能並列コアを使用する方法として開発されました。必要なときにコアをオンにし、不要なときには低消費電力コアに切り替えるオプションを提供しました。これを効果的に機能させるには、コアセット間の複雑なキャッシュコヒーレンスが必要でした。2つのコアセットは実質的に2つの異なるプロセッサのように動作し、システムはそれらを切り替えることができたため、SoC上で多くの重複が発生しました。

2012 年当時のモバイル デバイスの一般的な使用事例では、マルチコア アーキテクチャは最適化されていませんでした。携帯電話では、デバイスはアイドル状態になっていることが多いのですが、ユーザーが何かをしたいときには、デバイスが点灯して手元のタスクに集中し、その後すぐに電源をオフにしてバッテリーを節約する必要があります。

これは、バッテリー寿命が問題にならず、複数のコアが多数の独立したタスクを同時に処理できるサーバーとは全く異なります。big.LITTLEをモバイルデバイス上で美しく見せるための主な方法は、サーバーのようなタスクを実行することでした。これはまさにマルチコアベンチマークの性能に相当します。しかし、現実の世界では、ユーザーが複数のコアを同時に効果的に活用できるような持続的なワークロードを実行しようとすることはほとんどありませんでした。

Appleが、より大容量の2つのコアを搭載し、起動速度を速め、単一のコアタスクを高速処理し、その後アイドル状態に素早く戻すことができる2つの大型コアを搭載するために、より多くのシリコンリソースを割くことに注力したのは、そのためと思われます。より少数の大型コアを搭載することで、モバイルデバイスの典型的なユースケース、つまり単一のタスクを高速処理し、主にレスポンシブなユーザーインターフェースを実現することに、より多くのシリコンリソースを割くことができました。

Cortex A15の設計は、4つ以上の「パフォーマンスコア」を同じエリアに詰め込むことで、最大エンジンのサイズを実質的に縮小し、4つの小型エンジンが連携して動作する状況が発生する可能性に備えました。AppleのA6は、2つの大型CPUエンジンを搭載するという点で異例の製品でした。

Apple独自のシリコンフィードバックループ

Appleは、iPhoneのあらゆる側面が何によって驚嘆するのかを、他のどのチップ設計チームよりも深く理解していました。そのチップ設計は、OSとモバイルアプリが効率的に動作しながらも高速に動作するために必要なものを、まさにカスタムメイドで提供できました。特にAppleは、応答性の高いユーザーインターフェースを実現する「スプリント」パフォーマンスを重視していました。一方、競合他社は主にPCモデルでベンチマーク可能な持続的なCPUパフォーマンスの提供を目指していたようです。

Googleは最適化されたAndroidを開発していたわけではなく、あらゆるCPUとGPUアーキテクチャで動作するため、誰もがAndroidを使うことを期待して、可能な限り汎用性の高い多目的プラットフォームを構築していたのです。Googleはハードウェアアクセラレーションによる暗号化さえ採用しておらず、ライセンスを必要とする最先端のハードウェア最適化コーデックではなく、「無料」のメディアコーデックを推進していました。

アップルと同様に、スマートフォンとシリコンチップの両方を開発するチームを抱えていた唯一の企業、サムスンは、クアルコムのSnapdragonだけでなく自社のExynos、あるいは安価で十分に使える他のチップでも動作する汎用ハードウェアとソフトウェアを開発していた。自社製チップにおいても、CPUとARMのMali GPUを使用したグラフィックスの両方において、サムスンはARMが作成した汎用設計をほぼそのまま踏襲していた。サムスンはExynosチップを他社にも販売していたため、その設計は価格が非常に重要な要素となる幅広い市場を概ね満足させる必要があった。サムスンの最初のカスタムSoCコアは2015年まで提供されず、その時点ではアップルは絶望的に先行していた。

Appleは、iOSをカーネルからユーザーインターフェースに至るまで、単一のシリコンアーキテクチャに最適化していました。さらに、AppleのOSおよびアプリレベルの開発者のニーズは、次世代のシリコンを設計するチームに直接フィードバックすることができました。AppleはAxチップの唯一のユーザーであったため、コストが最重要要素ではない独自のプレミアムデバイスを設計することができました。Appleは自社チップを生産することでシリコンの規模の経済性から恩恵を受けただけでなく、市場における製品の改善につながる実力主義的なフィードバックループを根本的に強化していました。

Appleでは、様々なハードウェアチームとソフトウェアチームの連携により、高度に最適化されたプレミアム製品が誕生しました。Androidスマートフォンメーカー、Android OS開発、そしてそれらを供給する様々なチップメーカー間の連携不足が、多くの面で最適化が不十分で基本的な製品を生み出していました。同時に、Appleの競合他社は、競争力を高めるためだけに、はるかに多くのRAMを搭載し、チップのクロック周波数を高めたスマートフォンを開発せざるを得ませんでした。

iOSは低いクロック速度でも優れたパフォーマンスを発揮し、必要なRAMも少なかったため、バッテリー駆動時間も長くなりました。実際、Appleのシリコンは急速に改良と最適化が進められ、圧倒的なパフォーマンスの優位性によって、より専門的なタスクに取り組むことが可能になりました。Appleのシリコン設計チームは、独自のストレージコントローラを開発し、カスタムオーディオロジックを構築し、独自の画像信号プロセッサ技術を設計し、最終的には独自のGPUアーキテクチャにまで至りました。

AppleがAxチップに搭載した機能はすべて、莫大な規模の経済の恩恵を受けていた。なぜなら、Appleは最高クラスのチップを発売初年度に1億個以上も販売し、利益を生むと見込んでいたからだ。一方、パフォーマンス重視のシリコンでAppleの競合であるTI、Nvidia、Intelにはそれができなかった。AppleがAxチップを開発してからわずか3年で、この状況は変わりそうにないことが明らかになっていった。

同時に、Apple のモバイル デバイスは他の製品カテゴリに混乱をきたし始め、シリコンの進歩を継続的に推進する販売量のさらなる増加を支えました。次のセグメントで検証します。