アメリカのエンジニア、ゴードン・ムーアは1965年の論文で、集積回路（「マイクロチップ」）上のトランジスタの数は今後10年間、毎年倍増するだろうと予測した。彼の予測は的中し、彼の理論は実質的にコンピューティングの世界における基本法則となった。
ムーアが予言した当時、トランジスタは急速に縮小し、年を追うごとに2倍の数のトランジスタがチップに収まるようになっていた。時が経つにつれて、この傾向は18～24ヵ月ごとに減速している。
しかし、近年、微細化のスピードが鈍化したとはいえ、コンピューター・チップのパワーが指数関数的に成長したことで、人生を変えるようなテクノロジーがもたらされた。粗末な家庭用コンピューターは洗練された機械へと進化し、高速インターネット、スマートフォン、モノのインターネット（IoT）で接続された機器の台頭へとつながっていく。
しかし、エンジニアたちがより多くのシリコン・トランジスタをチップに詰め込もうと奮闘する中、ムーアの法則は失われつつあるようだ。この記事では、ムーアの法則が今日でも適用可能かどうかを検証し、IoTによって接続された現代のコンピューティングのためにムーアの法則を再考する。
無限のエクスポネンシャル成長は可能か？
ムーアの法則によれば、マイクロプロセッサの成長は指数関数的である。理論的には、トランジスタはどんどん小さくなる。しかし、2020年代に入り、トランジスタのサイズが物理学の限界に近づいていることは明らかである。
1940年代にトランジスタが発明されたとき、その寸法はミリメートル単位だった。今日では、典型的なトランジスタの寸法は数十ナノメートルで表され、10万倍以上小さくなっている。同じ小さな面積に、より多くのトランジスタを収めることができる。
しかし、トランジスタの数が増えるということは、発熱量も増えるということでもある。つまり、設計者やエンジニアは、髪の毛1本分の幅で何億ものトランジスタが発熱することを考慮しなければならないのだ。
障害はそれだけではない。量子力学そのものが立ちはだかるのだ。トランジスタが小型化するにつれて、異なるトランジスタ領域間の距離も小さくなっている。電子障壁は非常に薄くなり、電子がそれを通り抜けることができるようになった。
トランジスタの部品、特にゲート酸化膜が薄すぎると、理想的には電流が全く流れないはずのトランジスタがオフの位置にあるときに電流がリークしてしまう。しかし、フォームファクターは本当にムーアの法則を殺してしまったのだろうか？
既成概念にとらわれない
ご想像のとおり、基本的に目に見えないコンピュータを何カ月も何年も稼働させるのは非常に困難なことだ。そのため、次世代チップの製造コストは飛躍的に高くなっている。
インテルのデータセンター・プロセッサーや携帯電話のビットアプリ・プロセッサーなど、今日の最高級マイクロプロセッサーは7ナノメートルの半導体プロセッサー・ノードにある。これはほとんどのウイルスよりも小さい！
しかし、ムーアの法則は、超低消費電力��深い組み込みの世界ではまだ健在です。以前お伝えしたように、Ambiq®は、当社独自の回路設計とアーキテクチャを活用するため、2世代半導体を40nmから22nmに移行しています。
モバイル機器やポータブル機器を好む新世代の技術消費者により、消費電力は性能と同じくらい重要になっている。ムーアの法則が物理学の限界に向かって進む中、エネルギー効率は、特にIoTを組み込んだモバイル機器にとって、コンピューティングの新たなフロンティアとなっている。
ブロックのニューキッド
2015年11月、AmbiqはApollo SoCをULPBenchに対するテストに提出しました。Embedded Microprocessor Benchmark Consortium（EEMBC）が開発したULPBenchは、超低消費電力の組み込みマイクロコントローラ（MCU）のエネルギー効率を測定する標準化ベンチマークです。
このベンチマークは、典型的な低消費電力設計ワークロードを標準化し、それを完了するために必要な実際のエネルギーを測定します。このアプローチは、アクティブ電流、スリープ電流、ウェイクアップ時間、コア効率、キャッシュ効率など、MCU動作のさまざまな動作を正規化します。
これらのデータはすべて、開発者にとって重要なひとつの値、つまり特定のアプリケーションを完成させるのに必要なエネルギー量に統合される。
これまでの最高ベンチマークは187.7だった。AmbiqのApollo SoCはこの記録を塗り替え、従来の最高値である377.5を2倍以上上回った。基本的に、AmbiqのSoCはエネルギー効率が2倍高いため、バッテリー駆動のウェアラブル機器やエネルギーに敏感なその他のIoT機器の開発者にとって理想的な製品となっている。
2倍の省電力は、組込み設計者と技術消費者の双方にとって大きな意味を持つ。設計者は電力削減をバッテリー寿命の延長や機能追加に再利用でき、消費者はより多くの機能を備えたより長寿命のデバイスを楽しむことができる。
では、AmbiqのApollo SoCがULPBenchを圧倒した理由は何だろうか。サブスレッショルド電圧回路です。当社は、サブスレッショルド回路を特許取得済みのSPOT®（ Sub-threshold Power Optimized Technology）プラットフォームに活用し、通常のマイクロプロセッサをはるかに低い電圧で効率的に動作させることに成功しました。
秘密のソース
サブスレッショルド回路は、一般的な1.8Vまたは3.3V MCUのスレッショルド電圧以下の電源電圧で動作します。標準的なIC実装と比較して、AmbiqのSPOTプラットフォームは、0.5V未満のサブスレッショルド電圧でトランジスタを動作させ、大幅な省エネを実現します。
トランジスタをサブスレッショルド電圧で動作させることには、いくつかの重要な利点がある。ひとつは、このような低い動作電圧でのステート・スイッチングにより、ダイナミック・エネルギー消費が少なくなることである。さらに、「オフ」のトランジスタのリーク電流は、ほとんどの計算を実行するために再利用することができ、本質的に以前に失われた電力を利用することができる。
Ambiqの技術は、チップ内部でスイッチングが発生する電圧レベルを下げることで、半導体のエネルギー消費量を削減した。これにより、バッテリーがより長持ちするウェアラブル機器などの製品開発が可能になる。
SPOTの不思議
消費者にとって、AmbiqのSPOTプラットフォームは、スマートウォッチやフィットネストラッカーのバッテリー寿命が従来よりも数週間から数ヶ月長くなることを意味する。
さらに（ダジャレではなく）、このようなエネルギー効率の向上は、組み込みマイクロプロセッサーの消費電力が数年ごとに半減するという「ムーアの法則」の新たな反復をすぐにもたらす可能性がある。
これは、バッテリー駆動のウェアラブル機器やその他のエネルギーに敏感なIoT機器の開発者にとって朗報である。この電力性能の飛躍は、電力バジェットを増加させることなく、バッテリー寿命を2倍以上にしたり、より多くの追加機能を可能にしたりすることで、まったく新しい消費者向け製品への新たな可能性の扉を開きます。
モノのインターネットを構成する組み込み型スマートセンサーにとって、エネルギー効率は非常に重要な優先事項である。これらのセンサーが搭載されるデバイスは、充電なしで数週間持ちこたえる一方で、大型バッテリーなしで生き残るように設計される必要がある。
それでも、Ambiqのサブスレッショルド設計手法の利点は、昨年の製品の改良を検討している組み込み機器設計者にメリットがあることを意味する。心拍数モニタリングセンサーや常時オンボイスコマンドシステムなどの新機能を簡単に実装できる。
では、モレはあるのか？
ムーアの法則はコンピューティングを破壊し、その後の半世紀にわたる技術進歩のペースを決定づけた。ムーアの法則によって、数台の部屋サイズのスーパーコンピューターから数十億台のポケットサイズの携帯電話へと進化したのである。
さて、問題はAmbiqの技術がモノのインターネットに同様のペースで革新をもたらすことができるかどうかだ。
私たちはそう考えている。
ムーアの法則が物理的限界まで引き伸ばされたとしても、イノベーションのペースを維持するために法則の精神に従うことはできる。ムーアの法則はトランジスタでは終焉を迎えているかもしれないが、IoTデバイスの超低消費電力組込みMCUには依然として関係がある。
いずれにせよ、半導体業界全体がさらなるムーアを迎えることになる。
