2023年のハイエンドスマホはレイトレーシング対応に？ Armの新型CPUとGPUはこうなる

　少し前の話となるが，2022年6月28日にArmは，次世代のスマートフォンやPC向けSoC（System-on-a-Chip）に用いられる新型CPU IPとGPU IPを発表した（関連リンク）。製品ラインナップは以下のとおり。これらを採用したSoCは，2022年から2023年にかけて登場するものと思われる。

●CPU IP

• Cortex-X3
• Cortex-A715

●GPU IP

• Immortalis-G715
• Mali-G715
• Mali-G615

　Armのプレスリリースでは，“Arm Total Compute Solution”という仰々しい言葉が踊っているのだが，近年のArmは，それぞれの分野で顧客が迅速にシステムを構築するために，さまざまなIPをまとめてパッケージとして提供しており，これを「Total Solutions」と呼んでいる。
　PCやスマートフォンといった分野に向けて，Armは，2021年に「TCS21」（Total Compute Solution 2021）というパッケージを提供した。これを用いて実装されたのが，Qualcommの「Snapdragon 8 Gen 1」や，MediaTekの「Dimensity 9000」といった製品だ。

TCS21を採用したDimensity 9000

　TCSは毎年更新する予定で，2024年までのロードマップも示されている。今回のテーマであるIP群は，「TCS22」（Total Compute Solution 2022）に属する。

TCSのロードマップ。Intelが毎年"Gen XX Core Processor"といった形でラインナップを更新するのに近い。ただし，チップの形ではなく，IPを提供売る点が異なる

2017年以降のArm製CPU IPを振り返る

　最新事情を説明する前に，少し昔にさかのぼって，2017年以降のArm製CPUコアの動向を振り返っておきたい。

　図1は，2017年以降に登場したArm製CPU IPのラインナップだ。Armは，2017年に従来の「big.LITTLE」アーキテクチャを発展させた「DynamIQ technology」（以下，DynamIQ）を発表した。これに合わせて，対応CPU IPとして「Cortex-A75」と「Cortex-A55」が登場している。Cortex-A75が高性能コア，Cortex-A55がは低消費電力（≒低性能）コアという位置付けで，ここから2019年まで，高性能コアのライン（図ではBalanced表記）は，毎年新製品を更新してきた。
　

図1 2017年以降のArm製CPU IP

　大きな変化が起こったのは，2020年だ。Armは，従来の高性能コアを上回る性能を備えたCPU IP「Cortex-X1」を投入した。Cortex-X1は，さまざまな経緯で生まれた製品なのだが，理由を簡単にまとめると，ArmとSamsung Electronics（以下，Samsung）の事情によるものだ。

　Armは，より強力なCPU IPの開発を推進していたが，Samsungでは，ハイエンド市場向けCPUコアの開発にかかるコストが大きな負担となっていた。そのため，Armからアーキテクチャライセンスを受けて開発していた独自CPUコア「Exynos M5」の開発を中止したうえで，Armに対してより高速なCPU IPの開発を要望する。この結果生まれたのがCortex-Xシリーズというわけだ。
　
　Cortex-X1発表時における，既存の高性能コア「Cortex-A78」や「Cortex-A77」との性能比較をみると，機械学習を使った処理性能が2倍となっている。これは，SIMD演算ユニットである「NEON」が倍増しているからだ。

Cortex-X1の整数演算性能は，Cortex-A77と比べて1.3倍なので，Cortex-A78との比較では1.21倍向上している計算だ

Cortex-X1のフロントエンド。Cortex-A78のデコーダは，4命令/サイクルの処理が可能で，「Mop cache」（Macro Operation:マクロ命令キャッシュ）の速度も4Mops/サイクルであることを踏まえると，かなりデコーダが強化されていることが分かる

Cortex-X1のバックエンド。バックエンドは，最大8命令/サイクルで，整数側が6命令，FPU側が2命令という形だ。もっとも，Mopで8命令なので，フルに動くと10個の演算ユニットが全て稼働する

　Cortex-X1は，性能が向上した分，消費電力やエリアサイズ（※SoCの半導体ダイに占めるCPU/GPU部分のサイズ）は，Cortex-A7x系列と比べてかなり増えた。Cortex-X1を採用したSoCの多くは，Cortex-X1×1，Cortex-A78×3，Cortex-A55×4という構成を採っている。高い性能が必要なら，Cortex-X1の数を増やせばよいのだが，そうはなっていない。消費電力やエリアサイズを考えると難しいということだろう。

　また，2020年にArmは，新しい命令セットである「Armv9-A」を発表した。Armv9-Aは，既存の「Armv8-A」と同じ64bitの命令セットであり，互換性がある。普通のプログラムを動かすだけであれば，差はない。何が異なるのかというと大きく分けて2つある。1つはセキュリティ機能である「Confidential Compute Architecture」（CCA）への対応だ。
　もう1つは，拡張命令セットの違いである。Armv8-Aは，NEONにベクトル演算向けの拡張命令セット「SVE」（Scalable Vector Extensions）を組み合わせていた。これがArmv9-Aでは，SVEの後継である「SVE2」に変更となっている。

　このArmv9-Aに準拠したCPU IPとして，2021年5月に登場したのが「Cortex-X2」「Cortex-A710」「Cortex-A510」という3製品だ。2021年12月には，これらを採用したSnapdragon 8 Gen 1やDimensity 9000が，さらに2022年1月には，SamsungからもハイエンドSoC「Exynos 2200」が発表となった。

Cortex-X2と既存製品との性能比較。同一周波数では，10〜35％の性能向上を実現したという。機械学習を利用した処理性能が2倍になったのは，SVE2採用の効果である

Armv9-Aベースの第2世代CPU IP

　ということで，やっと新型CPU IPの話に移ろう。Cortex-X3とCortex-A715は，Armv9-AベースのCPU製品としては第2世代にあたり，TCS22に属する製品である。Cortex-X3は，Cortex-X2と比べて性能が1.25倍に向上したのが特徴だ。それに対してCortex-A715は，Cortex-A710との比較で，性能は1.05倍とわずかな上昇に留まる一方，消費電力を20％削減したという。
　また，新製品ではないCortex-A510もTCS22の製品で，こちらは従来の同名製品と比べて，10％の消費電力削減を謳っている。詳細な明らかになっていないが，細かな改良とプロセス微細化の効果によるものだろう。

TCS21世代との性能比較

　なお，これらの数字は，必ずしも同一周波数での比較とは限らない。あくまでも絶対性能として，このくらいの性能向上が見込めるということだ。
　
　また，TCS22世代では，CPUコアをつなぐ「DSU-110」（DynamIQ Shared Unit-110）で管理できるCPUコア数を，これまでの最大8コアから最大12コアまで拡張しているのも見どころと言えよう。現状，ArmベースのPCやスマートフォン向けSoCは，8コア構成の製品がほとんどだが，これはDSU側の制限によるものだ。この制限が緩和されることで，たとえばPCやハイエンドスマートフォン用に12コア構成のSoCが出てくる可能性も出てきた。

　なお，今回はCPU IPのみの発表で，これらを採用した具体的な製品は，明らかになっていない。おそらく，TCS21世代と同じく，12月ごろにQualcommやMediatekから発表となるのではないだろうか。

レイトレーシング対応のGPU IP「Immortalis」

　続いてはGPU IPについて説明しよう。こちらも過去の製品を振り返ると，2016年発表の「Mali-G76」と，2017年発表の「Mali-G72」は，Armの第2世代GPUマイクロアーキテクチャである「Bifrost」を採用した製品であった。
　2019年には，マイクロアーキテクチャを「Valhall」に更新した「Mali-G77」が登場している。Valhallでは，SIMT（Single Instruction Multiple Thread）演算ユニットが，従来の4/8Wide SIMT×3基という構成から，16Wide×2基へ広がり，GPUコアあたりの処理性能を強化したのが特徴だ。
　現行のArm製GPU IPは，このValhallをベースとしたもので，図2にラインナップをまとめている。

図2 ValhallアーキテクチャのGPU IP

　2020年までは，ハイエンド向けとミドルレンジ向けという2つのラインで製品を展開していたが，2021年にはTCS21の導入と合わせて，4製品が一挙に登場した。最大16コアの「Mali-G710」が最上位モデルであることは明白だが，最大6コアの「Mali-G610」と「Mali-G510」の差がわかりにくいかもしれない。大きな違いはL2キャッシュの容量で，Mali-G710/G610が512〜2048KBなのに対して，Mali-G510/G310は，256〜1024KBと半分しかない。キャッシュ容量が減ったことで性能は低下するが，その分エリアサイズを小さくできるのがポイントだ。

　今回発表になった「Immortalis-G715」と「Mali-G715」「Mali-G615」もValhallベースのGPU IPだ。このうち，Mali-G715とMali-G615は，既存製品の延長にあるもので，L2キャッシュ容量を512〜4096KBに増やすといった小さな改良に留まる。
　
　一方，目玉となるImmortalis-G715は，Maliに続くGPUブランド「Immortalis」の第1弾製品だ。とはいえ，実際はMali-G715をベースとしてレイトレーシング用の演算ユニットを追加しただけだという。さらにレイトレーシングユニットの詳細や性能は，今のところ明らかになっていない。

今回はラインナップの紹介のみで，性能など詳細についての説明はなかった

　発表会での質疑応答によると，Immortalis-G715は，Valhallベースで実装しており，今後のImmortalis製品は，Maliとは実装が変わる可能性があるという。たとえば，30〜40コアまでコア数を増やせるようなスケーラビリティの確保や，マイクロアーキテクチャをよりレイトレーシング向けに調整するといったことも考えられるそうだ。なお，レイトレーシングのAPIは，「Vulkan Ray Tracing」にしか対応しておらず，DirectX Raytracingをサポートする計画はないとのことだった。

　現状は分かっているのはここまでで，もう少し詳しい話が出てくるには時間がかかりそうだ。新GPUもTCS22世代であるから，先のCortex-X3やCortex-A715/A510と一緒に，採用SoCが2022年末あたりに登場するだろう。

ArmのCortex-Xシリーズ製品情報ページ

ArmのImmortalis-G715製品情報ページ