Intel の14nmプロセスの期待と課題 - IDF2014から

今回のIDFでは新しい14nmプロセスのcoreアーキテクチャ Broadwellがcore Mとして発表された。Intel のtick時期のコアなので、Haswellの論理をあまりいじらずに14nmにシュリンクしたもの。これの論理だけを刷新するtock期の製品が次に来るSkylakeである。

関連記事: IDF 2014 - 「Skylake」動作デモ公開、Broadwell後継として来年登場 - 基調講演レポート (マイナビニュース　塩田紳二)

Broadwellに関する記事: IDFでIntelが14nmプロセス世代の「Broadwell」を公開 (PCwatch 後藤弘茂のWeekly海外ニュース)

Broadwell 新PCへの期待)
Broadwell　(14nm) - 商品名Core M利用の小型PCは、年末商戦にむけて10月から沢山でてくる。特に、小型化が進むことで、displayを取り外したり折りたたんだりするとtabletにもなる2 in 1を主流として売り込むことで、ARM社CPUが支配的なtablet市場にIntelが乗り込もうとしているように思う。

以下、IDF day2 11:00-12:00 Mega Session: PC Reinvention and Innovation

by Kirk Skaugen　より

notePC用packageの比較：左が22nm Haswell、右が14nm Broadwell (Core M) 

上: 14nm Broadwellのマザーボード
下: 22nm Haswell利用のマザーボード
これだけ小さくなる

5年ぐらい前のlaptopPCと14nm Broadwell利用の2in1の比較 

2014/10月から各社よりBroadwell利用のnotePC 特に2in1 PCが沢山でてくる。
Lenovoのものは5種類に変化 (Transform??) していた。

Intel Processの課題)

今年1月といわれていて立ちあげがかなり遅れた14nmプロセス技術の詳細は明かされていない。

冒頭であげたBroadwellに関する記事: IDFでIntelが14nmプロセス世代の「Broadwell」を公開に解説があるとおり、Intelの微細化の展望が明るいわけではない。これを以下で紹介する。

22nmから14nmに微細化すると、一辺が1/√2 になるので単純にはchip面積は1/2になる。以下、Intel講演をみてもIntelの14nmプロセスは、（他社と違い）前世代に比べ本当に面積が1/2になることを誇っている。

トランジスタ性能をあげ（電源電圧を落として電力を下げつつ性能を維持し)、リーク（漏れ電流)を減らすなどの工夫をいれても、電力は70% にしかならない。

もともとCMOSにはスケーリング則があり、微細化すると電圧も対応して下げられたので電力密度は上がらず、消費電力が大きく下がり、性能も上がってきた。ところが電圧は無限に下げられるわけでもないし、配線も細さに限界があるので、最近はこれが行き詰まっている。

参考資料: 「スケーリング則の破綻と新材料・プロセスへの期待」

http://me.ed.kyushu-u.ac.jp/~micro/H17enshuu/No11.pdf

つまりCPUとして同じ電力消費にすると、chip面積あたりの発熱量が0.7/0.5=1.4倍になってしまって放熱しきれなくなる。世の中desktopから小型化に向かっているので、大きなフィンをつけたり、水冷とかは避けたい。

製造コストはチップ面積に比例するので、チップ面積を大きくするためには、値段アップのための顧客価値が必要になる。従来は、これを使いcacheサイズを増やして性能を上げるとか、GPUをつけてグラフィック性能を上げるとかで対応してきた。が、どうもcacheサイズもそろそろ必要十分になりつつある模様。

この証拠にハイパフォーマンス系のXeon は、最近発表した14nm版では12コアから18コアへと増やしたが、cache量やトランジスタ数はさほど増えていない。

18コア版Haswell-Eファミリに隠されたIntel CPU進化のトレンド　（同じくPCwatch 後藤弘茂のWeekly海外ニュース)

まとめると、微細化により低電力化しても、に熱密度が上がるジレンマがあるので、cacheなどを巨大化してきたが、それが行き止まれば、CPUは次第にローパワーへと向かわざるを得ない。最近のIntelが、利益率の良いPC用CPUと共食いするのを知りながら、安価なTablet/Mobile向けCPUに向かっている背景には、こういう事情があるのだろう。

IntelもdesktopからnotePCへ薄型のUltrabook、そしてtablet共用の2in1へと向かい、ARMとの大競争が始まるのであろう。

Intelの14nmプロセスの講演)

IDF2014では、プロセスデバイスの研究開発のトップ　Mark Borh, Intel Senior Fellowによる14nmプロセスの講演があった。( 基礎技術の発表はIDFでも最近かなり減っている。)

いつものように自信満々で歯切れのよい発表から...

Mark Borh

Markは、2011年にIntel初の3Dトランジスタ Trigate 22nmで強気の発表(以下に記載) をしている。

2011年5月16日月曜日: Intelの立体トランジスタ

Intelの微細化は順調に進んでいる

自分のサイズいりのスケールで22nmの大きさを比較。
笑いをとってツカミはバッチリ

ゲート(青い部分)の容量を減らして性能と電力を稼ぐ為に、
14nm (右)ではフィンを高くしている。このため従来は3 legだった
Trも2 legで済む。

配線層も順調に微細化

SRAMサイズも順調に微細化

微細化を評価するためには、ゲートピッチ x 配線ピッチで
公正に(つまり実際に面積縮小に効く具合で) 比較すべきだという主張

他社は3D化で足踏みがある(説明上インチキをしている)が
Intelは着実に微細化(Gate Pitch x Metal Pitch)している

トランジスタ辺りのコストは着実に下がっている

22nmから14nmになって、各ターゲット向けのどれにおいても
1.6倍ペースで低電力性(or性能)が向上

第5世代Core (Broadwell = Core M ) 第4世代Core (22nm Haswell)に比べ CPUは50%高速、Graphicは40%高速。低電力 TDPを60%削減

Broadwellでは、die sizeは単純計算では0.51倍になるはずだが、
機能増により実際には0.63倍

今年1月といわれていて立ちあげがかなり遅れた14nmプロセス技術の詳細は明かされていないし、自信満々の裏には、前章で述べたような苦しい事情があるのだろう。

調子の良い話とは、実は困った課題を隠そうとしている現れというのが真理なのかもしれない....

Intelの小型ベアボーン NUC

2014年9月14日日曜日: Intel Edisonボードを使ってみた

の冒頭で紹介した、Intel Developer Forum 。この入り口を入ったところにIntel製品直販(以下写真の左上部) コーナがあり、notePCやIntel SSD、アメニティグッズ、Edison (確か60ドルぐらい..だた。) などが売られていた。

左上 - インテル直販
中 - バネ付きの棒? を使った見世物??

その直販コーナで興味を引いたのが、Intel製小型ベアボーンのNUC。また、Intelラボの展示パネル(液晶テレビに投影)は、テーブルのなかに、このNUCとマウス、キーボードをつなぎ、HDMIで液晶テレビに接続していた。

売り場では以下の3種類のNUCが売られていた。

3つのNUC

左から、

1. D3410WYKH - Core i3 (1.7GHz 2 core) 版: $280をIDF特価 約$255
2. DN2820FYKH - Celeron版: $144.99をIDF特価 $134.99
3. D54250WYFH - Core i5 (2.4GHz 2core)版: #355.66をIDF特価 約$345

amazon.com http://amzn.to/1qV5KYS でも売られているが、それよりも$10前後安い。末尾Hが付かないものは筐体が小さくて2.5inch HDDを納めるスペースが無い。IDF day3では、D54250WYFHの蓋を開いて展示していた。

Intel小型ベアボーン: NUCの内側

NUCはお徳)

core i3版のD3410WYKHでは、1.7GHz 2 coreの22nm Haswell (第4世代Core™ i3-4010U、ノートPC用のカード品 )がすでに基板に半田付けされている。（Celeron版のspecをみるとCPU別購入の可能性もある...)

PCwatchの価格情報 2014/8月 http://bit.ly/1qV7Fge をみると、LGA1155のdesktop用Core i3の実売価格は大体1万円前後なので、それ込みだと考えるとからにお徳である。core i5は大体6千円upなので、core i5版との価格差も適性であろう。(linuxを走らせるにはcore i5やi7の性能は不要だと思うが...)

これにDRAMとHDD/SSDを追加購入するとsmall desktop PCができあがる。（もちろん、マウス、keyboard、displayも必要だが....)

熱に応じてまわるファンが付いているらしく、ファンレスではない。

2枚のSoDIMMスロット（つまり最大16GB memory) と1つの2.5inch SATA HDD/SSD スロットが有る。(Celeron版は1スロット)

LAN, WiFi, Graphic(Mini Display port およびHDMI ) は内蔵だし、 mini PCI Express* と mSATA (SSD)ポートも内蔵。新しいGraphic biosも搭載している。

普通のPCなので、windowsでもLinuxでもインストール可能。

ほぼ70ドルupで2.4GHzのcore i5版もある。

詳細SPEC)

1. D3410WYKHのスペックは、 http://www.intel.com/content/www/us/en/nuc/nuc-kit-d34010wykh.html　にある。CPUは Core™ i3-4010U　がすでに基板に半田付けしてある。
   Core™ i3-4010Uのスペックは、http://ark.intel.com/products/75107　のように22nmプロセスの第4世代Core (Haswell)

この他のNUCのスペックは、http://www.intel.com/content/www/us/en/nuc/overview.html　から参照できる。

Broadwellだったらなぁ）

今回のIDFでは新しい14nmプロセスのcoreアーキテクチャ Broadwellがcore Mとして発表された。Intel のtick時期のコアなので、Haswellの論理をあまりいじらずに14nmにシュリンクしたもの。これの論理だけを刷新するtock期の製品が次に来るSkylake　である。

関連記事: IDF 2014 - 「Skylake」動作デモ公開、Broadwell後継として来年登場 - 基調講演レポート (マイナビニュース　塩田紳二)

Skylakeは遅れているので期待できないが、core i3やi5版のNUCに乗っているのがBroadwellだったら、絶対買ってしまうところだった。

Broadwellに関する記事: IDFでIntelが14nmプロセス世代の「Broadwell」を公開

Broadwell版の小型PCは、年末商戦にむけて10月から沢山でてくる。

Broadwellの意味)

IDFでの14nmプロセスに関する講演、Keynoteを以下に掲載した。

2014年9月15日月曜日: Intel の14nmプロセスの期待と課題 - IDF2014から

Intel Edisonボードを使ってみた

San Franciscoの展示場Moscone Westで2014/9/9-9/11に開催されたIntel Developer Forum 2014 の目玉はIoT(Internet of Things)つまり、インターネットに繋がる極めて様々な装置・端末、ないしは、小型の常時稼働型・超低電力デバイス。

IDF会場 2Fロビー: Edisonを使ったIoTデモのブース
この他にも多数 

スマホとそれに続くtabletでARM陣営の後塵を拝し、いまIntelは2 in 1 PCなどで挽回を図っている。 それらの先には、話題のApple watch  http://www.apple.com/jp/watch/technology/ やGoogle Glassや、もっと小さなセンサーのデバイスがやってくる。ここではARM以外にArduinoなどの選択肢もあり、まだエコシステムの構築競争が始まったところである。Intelはそこを最初から押さえたいのであろう。Intelの2 in 1 PC/Tablet での狙いについては、以下に書いた。

2014年9月15日月曜日: Intel の14nmプロセスの期待と課題 - IDF2014から

余談) 9/9-9/11という911テロを彷彿される開催時期。というよりも、AppleのiPhone6やiWatchの発表も2014/9/9に行われており、年末商戦とかにも向けて展示会が多い時期で人が移動する時期をテロが狙ったと考えた方がよいのだろう.....

IDFのshow caseの中央でも、組み込み評価ボードEdisonを展示していた)

IDF showcase中央のEdisonブース

Edisonブースに技術情報を聞きにいった所、「面白い評価アイディアを持っている人には、無料で配っている」ということらしく、「あそこのブースでATOMのサーバを展示しているのだが...」と話を切り出したところ評価ボードがもらえた。私の横で話をしていた方は、欧州からの大学の先生らしく、「組み込み系の講義の教材にする」と言ってもらっていた。

調べてみるとamazonでも99ドル　http://amzn.to/1BC0myN　で売られる予定(2014/9/16リリースだとのこと..　一般発売前のレア品だったのか... )。

結局おもちゃが3つに増えた)

組み込み評価ボードたち

1. 左上) 自作PIC (これは16F1827を使った、binary表示時計) - 2ヶ月ほどまえにハンダ付け。PICのプログラムはこれから...
2. 左下) MicroView - これはArduino。Crowdfundingのkickstartで昨年末注文したものが、2014年8月中旬に届いた。
3. 右) Intel Edison (これは22nm ATOM silvermont) - IDFでもらってきたもの。
   今回は3について報告する。1, 2についても後日報告したい。

その他拙blogで既報のLinux/Unix 装置は以下のものがある)

iPhoneの脱獄 - これはBSD Unix
　最近のは、2013年12月24日火曜日 : Evasi0n7によりiOS7.x の完全脱獄に成功

2011年8月27日土曜日: MacOSにBSDコマンドを追加し、まとめてファイルをダウンロード

2011年10月23日日曜日: MacでBSDツールを利用する・大学の電子ブック
2011年9月4日日曜日: Nook Touchの脱獄 -- これはLinuxの上にDarvik VMなどを載せた構造のAndroid
2012年12月5日水曜日: Raspberry Pi
2012年12月9日日曜日: Linuxが走っているSDカード: PQI Air Card

2013年1月5日土曜日: 自宅にLinuxサーバを構築した

Edisonについて)

15.5 cm x8.5cm x 4cm の箱に入っている

箱の中から出てくる2つのボード

Edisonは葉書より一回り小さいベースI/Oボードと、SDカードより若干大きいサイズのCPUカード（メザニンボード) からなる。メザニンボードの上の銀色のEdisonパッケージはSDカードよりも若干小さい。

Edisonは、PCwatch記事 「Intel、SilvermontコアのAtomを搭載した新Edisonを公開」　に紹介がある。これによると、PoP(パッケージオンパッケージ)で、CPU上に、1GBのメモリと4GBのフラッシュメモリのストレージが乗せられており、Linux OSで動作しているとある。

IntelのProduct 情報: Intel® Edison Module によると100MHz動作の32bit組み込みx86 CPU QuarkやBluetoothも乗っているらしい。microSDカードのポートも有る。至れり尽くせり...
だが、RaspberryPIとは違って、HDMIとかVideo出力はない。

https://communities.intel.com/docs/DOC-23161　からdownloadできるpdfのボードマニュアルをみると、スイッチングDCコンがボードに搭載されており、外部電源を選択すれば7-17Vの外部DC入力で動く模様。
また、バッテリー動作も想定されており、Li-Ion電池を接続するポートもあり、バッテリーチャージャ機能も内蔵されている模様。以下、Li-Ionの件は出ていないが、上記リンクのpdfから抜粋したボードのブロック図。

Edisonボードブロック図

Sparkfunのボード）
Arduinoと周辺ボードの会社Sparkfunから、このEdisonCPUカードを含む、IoT開発用の小型のカードキットが売られている。https://www.sparkfun.com/products/13093

ここにある紹介videoを以下に掲載する。

基本機能だけの以下のsetで115ドルらしいが、他にもボードがあり各種IoTデバイスが作れそう。たとえば、Microviewと同じdisplay+sw+ジョイスティックのボードとか、3軸加速度計+3軸ジャイロ+磁気コンパスのチップ入りボードとかがある。

Intel® Edison Starter Pack: $114.95

• 1x Intel® Edison
• 1x Console Block
• 1x GPIO Block
• 1x Battery Block
• 1x USB microB Cable - 6 Foot

Intel® Edison Sensor Pack: $69.95

• 1x 9 Degrees of Freedom Block
• 1x OLED Block
• 1x microSD Block

動かしてみた)
箱の裏に、"maker.intel.com"とある。これを入れると、EdisoとGalireoのサイト: Intel Makers: What Will You Make?　に行く。

ここのEdison のリンクをクリックすると http://www.intel.com/content/www/us/en/do-it-yourself/edison.html　つまり、先に示したリンク Intel® Edison Module 　に行く。

Edison Getting Started Guide - Mac　を参照しつつ、Macを母艦にしてEdisonを動かしてみた。まず、上記に紹介があるように、ボードを組み立てて、Edison用のArduino SDKをダウンロードする(これはJavaで動いている)。microView用のがver1.5.7で、Edison用のがver1.5.3なので、それぞれArduinoMicroview.app, ArduinoEdison.appと名前を変えて/Applicationsにおいた。(work arewの設定を変えていないので、ファイルを共有しているらしく、Edison用を起動すると、microviewライブラリが無いとエラーになるので今後対応する)

microUSBを接続

まずmicroUSBを接続)microUSB側を使うには、その上にある小さなスイッチをmicroUSB側に倒す必要がある。通常USBを使うと電源アダプタが必要になる模様。

写真上側のmicroUSBは電源供給（ないしは、targetデバイス向けなのかもしれないが..)
下側のmicroUSBが通信用であり、ともにPCに接続する。

シリアルデバイス)
上側のmicroUSBを接続しただけでは/dev/cu.*は何も変わらないが、下側のmicroUSBを接続すると、以下の3つのデバイスができた。

• /dev/cu.usbmodem1421241
• /dev/cu.usbmodem1421243
• /dev/cu.usbserial-A703ZBFN

ArduinoのSDKアプリを起動して設定)
冒頭の　Edison Getting Started Guide - Mac　にあるように、BoardをEdisonに(もともとそうなっていたが)して、Serial Portをリストの一番最後の /dev/cu.usbserial-A703ZBFN　に設定して、uploadをかける。コンパイルは成功するものの、uploadを数度試して失敗する。

Arduino Intel - SDK画面
upload 失敗でtimeout

端末画面からlogin)
uploadしなくてもlinuxが立ち上がっているはずなので、ガイドに従い、terminalからloginを試した。
上記のdevice名を用いて、Macのterminalから以下の様に打つ。($の前はプロンプト)

Satoshi-MacBA:~$ screen /dev/cu.usbserial-A703ZBFN 115200 -L

すると、login画面が表示される。
ガイドにあるようにuser名は、rootでパスワードはそのままreturn (パスワードなし) でloginできた。

最初に電源を入れた後、そのまま引っこ抜いたので、ファイルが壊れていて、fsckが走って、file systemを修復していた。linuxなのでshutdown処理は必須。

WiFiを有効化)

root@edison:~# configure_edison --setup

(#の前はプロンプト)を、やってみるとsetupオプションが変わっていて、インタラクティブには設定できない。エラーメッセージにある、ヘルプを参考に以下のコマンドでwifiを設定。WEP, WPA2-Personal, WPA2-Enterprizeが選択でき、SSIDステルスにも対応している。

root@edison:~# configure_edison -w

WiFiを設定するとsshでつながった。sshして、

• root@edison:~# uname -a
• root@edison:~# cat /proc/version
• root@edison:~# cat /proc/cpuinfo

をやったのが以下画面。結果をまとめると、順に

• OS名はLinux edison 3.10.17-poky-edison
• 同じくOS名だが　GCC4.8.2でコンパイルされ、SMP（Symetricマルチコア並列処理)が有効化されている
• プロセッサ情報）

sshでwifi経由でEdisonに接続

最後のprocessor情報をみると2 core のsilivermot 500MHz が乗っていた。bogo mips は998.4 -- BogoMips ではマルチコア分も積算されている模様) つまりSDカード大きさで1000 MIPS。

DRAM 1GB, ストレージ4GB... 私が大学院の頃は巨大で何千万円もしたVAX11 780が1MIPSだったので....隔世の感がある。

shutdown)

root@edison:~# shutdown -h now

を実行。ssh接続は速攻で切れて、Macのscreenコマンドで繋いでいたシリアルコンソールでは、以下の画面がでる。

shutdown時のコンソール画面

CPUは無事haltして、ベース基板のLEDも消える。
が、screenで繋いでいるコンソールのUSBデバイスが「USB接続が不正に切り離されました」とエラーをだすので若干気持ち悪い。

おまけMicroviewとの関係)
MicroviewはSparkfun https://www.sparkfun.com/と言う会社が製造販売している。

Sparkfunのロゴ

Microviewを立ち上げると、上記の会社のロゴにある炎のマークが表示される。
Microviewのサイト: http://learn.microview.io/

IDF showcase中央のEdisonブースでは、この会社が展示していて、この炎のマークがあったのでピンと来た。説明員に「kickstarterで買ったmicroviewが最近やって来たけれど、あれって良いよね」と言ったら、この説明員がmicroview SDKの一部を担当したらしく、彼も嬉しそうで話しが弾んだ。

前述のようにEdisonでも、I/OボードではSparkfunが大量にArduino用に作成している周辺デバイスに対応していると思われ、Arduinoの SDK、I/Oライブラリを使って開発を容易化しているのだろう。IntelもArduino向けI/Oボードの品揃えが豊富なSparkfunと組むの有効だと考えたのだろう。

組み込みとかIoT、いやサーバの部門でも、ソフトやらSDKの共用化は進んでいる。開発が大変だし、使う側での勉強する手間も省ける効能もある。エコシステムとかオープン化といわれる潮流である。

一つ使って環境を知っておけば、IoT業界で話が弾むきっかけになるかもしれない。