iPhone 15 Proを動かすA17 Proチップを（非常に）詳しく見てみる

iPhone 15 ProとPro Maxモデルに搭載されているA17 Proチップは、世界で初めて3ナノメートルプロセスを採用したチップであり、Appleはすでに2025年に2nmチップ、さらにその先、早ければ2026年には1.4nmチップの登場を見据えている。

今日発表された新しいレポートでは、想像を絶するほど小さなプロセスサイズに何が関係しているのかを興味深く考察しています…

A17 Proチップ

Appleは、A17 ProチップにはGPU設計におけるこれまでで最大の飛躍が盛り込まれていると述べた。

iPhone 15 ProとiPhone 15 Pro Maxは、業界初の3ナノメートルチップであるA17 Proを搭載しています。スマートフォン用シリコンにおけるAppleのリーダーシップを継承するA17 Proは、Apple史上最大のGPU再設計を含む、チップ全体の改良をもたらします。

新しい CPU は、マイクロアーキテクチャと設計の改良により最大 10 パーセント高速化され、Neural Engine は最大 2 倍高速化され、iOS 17 の自動修正やパーソナル音声などの機能を強化します。

プロクラスのGPUは最大20%高速化し、ピークパフォーマンスとエネルギー効率を向上させる新しい6コア設計により、全く新しい体験を実現します。ソフトウェアベースのレイトレーシングよりも4倍高速なハードウェアアクセラレーションレイトレーシングを搭載したiPhone 15 Proは、より滑らかなグラフィックスに加え、より没入感のあるARアプリケーションとゲーム体験を提供します。iPhone 15 Proは、これまでスマートフォンでは実現できなかったコンソールタイトルで、リアルなゲーム体験をユーザーの手のひらにお届けします。

想像を絶する規模

かつてナノメートルという数字はトランジスタゲートの物理的なサイズを指していましたが、今ではそうではありません。むしろ、この数字はコンポーネントの微細化を理解するための基礎を提供することを目的としています。

チップ設計に焦点を当てたファイナンシャル・タイムズは、現在使用されているトランジスタは原子ごとに構築され、1秒間に数十億回オンとオフを切り替えていると指摘しています。

わずか1平方ミリメートルに2億個のトランジスタを集積でき、チップ全体では数百億個のトランジスタが集積されます。メーカーは、そう遠くない将来、1兆個のトランジスタを集積する計画です。

トランジスタが金属ワイヤで接合されていることを考えれば、そのスケールは一目瞭然です。これらのチップには、一体どれだけのワイヤが詰め込まれているのでしょうか？約500km（310マイル）です！

製造コストに反映

TSMC は、ますます小型化するチップ製造プロセスで世界をリードしており、それが Apple の A シリーズおよび M シリーズチップの唯一のサプライヤーとなっている理由です。これほど小さなサイズで製造できるチップメーカーは他にはありません。

しかし、この作業の複雑さは、チップの設計と製造コストに反映されています。例えば、10nmから5nmへの移行において、Appleの新しいチップの設計コストは1億7,400万ドルから5億4,000万ドルに増加したと推定されています。TSMCのチップ製造工場の建設コストも、同じ時期に17億ドルから54億ドルに増加しました。

物理学の限界に到達する

砂からチップを作る全体的なプロセスは、今もほとんど変わっていません。砂を加熱し、シリコンを抽出し、棒を使ってワインボトル型の「ブール」を作り、それをウエハーにスライスし、研磨し、パターンをエッチングし、イオンを照射して導電領域と絶縁領域を作り、トランジスタを接続する配線を追加するという工程は、今も変わりません。

変わったのは、エッチングと配線段階の複雑さと精度です。

最小のチップを製造するには、オランダの一企業ASMLが製造する数百万ドル規模の装置が極端紫外線（EUV）を用いて微細なステンシルを作成する。この装置はバスほどの大きさだが、その精度は月ほど離れたゴルフボールにレーザーを照射できるほどだ。

プロセスをどれだけ小型化できるかという点では、現在、物理的限界に近づいています。そのため、最新のチップ設計では、複数の層を積み重ねています。

「トランジスタ技術の最初の60年間は使われていなかった3次元を、今まさに拡張し始めているのです」とインテルのオース氏は語る。「超高層ビルを建てると、横方向に縮小する能力がなくなり始めます。そこで、上に向かって積み上げていくのです。それがまさに私たちがやっていることです」[…]

垂直的な設計・開発への転換は「ある意味大きな出来事」だとセミアナリシスのコッホ氏は言う。なぜなら、業界が水平的な選択肢が枯渇しつつあることを認めたのはこれが初めてだからだ。「ある方向では減速しているが、別の方向では加速している」と彼は言う。

異なるチップ（いわゆる「チップレット」）をパッケージ化するという Apple のアプローチも未来のものとみられている。

パッケージングの開発により、半導体アーキテクチャの新たな変化、「チップレット」への道が開かれました。

エンジニアたちは、単一のシリコン上にマイクロプロセッサ全体を構築するモノリシックな「システム・オン・チップ」から、マルチチップ・モジュール（MCM）へと移行しつつあります。これらのMCMでは、異なる機能を持つチップ群を別々のシリコン上に構築し、それらを束ねることで、まるで一つの電子頭脳のように機能します。

もう一つの計画されている開発は、電源配線と信号配線を分離することです。これはこれまでに行われたことのないことです。