Intel Lakefieldが3Dチップスタッキング技術を実現

3年前、インテルのエンジニアであるウィルフレッド・ゴメス氏とその同僚たちは、将来がどのようなものであるべきかを決めるために集まりました。

チームはインテルの次世代高性能・低消費電力プロセスの開発を終えたばかりだった。これらのプロセスは、同社のチップ設計をさらに極限まで小型化するものだった。しかし、チップを小型化し続ける従来の方法では、得られる成果が薄れ始めていた。ムーアの法則に追いつくには、より抜本的な対策が必要だった。「私たちは次の10年を見据えて考えていました」と、インテルで22年のキャリアを持つゴメスは語る。「製品はどのように作られるべきでしょうか？」

彼らは、後にFoverosとなる、ロジックチップを積み重ねる3Dパッケージング技術にたどり着きました。月曜日のCESで、その設計は実際の製品、つまりまだ存在しないデバイス向けにカスタマイズされた画期的なCPUアーキテクチャ、Lakefieldとして発表されました。

フォベロスからレイクフィールドへ

アイデアは一夜にして製品化されるものではない。ゴメスは翌年、シニアフェローのラジェシュ・クマール、マーク・ボーアと共に、インテルの社長に就任したばかりのムルティ・レンドゥチンタラに提案を持ち込んだ。レンドゥチンタラは彼らに、もしチームがそれを実現できれば、会社の方向性を変えることができると告げた。

大げさに聞こえるかもしれない。しかし、今、その賭け金は2年前よりもさらに高くなっている。インテルは、より小型の次世代10nmプロセスによるチップ製造の取り組みが遅れており、AMDなどの競合他社にチャンスを与えている。「彼らの信頼性が危うくなっている」と、ムーア・インサイツ＆ストラテジーの創設者パトリック・ムーアヘッド氏は言う。

Foverosの特徴である3Dスタッキング技術は、これまで研究室やメモリチップでは実現されていましたが、大規模生産にまで至った例はありませんでした。チップを外側ではなく上部に積層する技術には様々な利点があり、中でも特にトランジスタを特定のタスクに合わせて組み合わせられることが挙げられます。ゲーミングノートPC向けのCPUは、相互接続性を重視するCPUとは異なるニーズがあります。Foverosは、パフォーマンスやスペースを犠牲にすることなく、こうしたカスタマイズを可能にします。しかし、こうした利点には課題が伴います。それも大きな課題です。

「計画を立てる際、どの要素がリスクが高く、どの要素をきちんと実行する必要があるのかを社内で議論するのに多くの時間を費やしました」とゴメス氏は語る。「通常、私たちは何とかして実現しなければならない奇跡を2つか3つ選びます。」

この場合、3つの要素が必要でした。まず、アーキテクチャそのもの、つまりプロセッサの外観と動作を根本的に見直すこと。次に、積層設計において、すべてのパーツが確実に動作するように実行できる能力。積層の1層でも故障すれば、歩留まりが低下します。そして最後に、熱は上方に伝わります。これは、垂直型CPUを動作可能にするために解決しなければならない熱の問題です。

インテルは、レイクフィールドでこれらの課題をいかに克服したか、その全体像ではないにしても、その一端を明らかにした。例えば、スタックのあらゆる部品は組み立て前に徹底的に検査され、問題を引き起こす可能性のある不良シリコンを排除している。また、放熱を促進するために全く新しい断熱材も開発した。

「適切なシリコン材料と適切な量の熱伝導性化合物を使用し、熱が集中する箇所がないように設計すれば、魅力的な3D積層製品を数多く作れるはずです」とゴメス氏は言う。「レイクフィールドはその最初の例です。」

具体的には、Lakefieldのコンピューティング要素はIntelの次世代10nmプロセスで構築され、22nmチップセット上に積層されています。パッケージ全体はわずか12 x 12 x 1ミリメートルと、10セント硬貨よりも小さいです。これらの数字やノード数に戸惑うかもしれませんが、Lakefieldは非常に小型で、非常に高性能であることを知っておいてください。

「これはこれまでで世界最小の PC マザーボードです」とインテルのクライアントコンピューティンググループのマネージャー、グレゴリーブライアント氏は、同社が月曜日に披露した Lakefield 搭載製品について語った。

このプラットフォームの性能がどれほどのものになるかは依然として謎に包まれている。Lakefieldは次世代10nmプロセスSunny Coveコアと4つの低消費電力Atomコアを搭載しているが、ゴメス氏もブライアント氏も具体的なパフォーマンスベンチマークはおろか、概算値すら明らかにしていない。「ハイブリッドアーキテクチャは全く新しいものなので、簡単に比較するのは難しい」とブライアント氏は述べている。

新しい種族

それでも、IntelがLakefieldで実現可能なデバイスをどのように説明しているかを見れば、その潜在能力の真価を垣間見ることができる。ヒント：それらはまだ存在しない。

「これにより、本質的に全く新しいカテゴリーのデバイスを開発することが可能になります」とブライアント氏は語る。「この小さなボードで、非常に低い消費電力からより充実したPC体験まで、幅広いスケールダウンが可能であることを示しています。」

まずは、11インチ未満の画面を搭載したポータブルPCや2in1フォームファクターから始めましょう。それから、もう少しクリエイティブになって、折りたたみ式スマートフォンやデュアルスクリーンデバイスに挑戦してみましょう。そして、想像の限界を超えた可能性を想像してみてください。Lakefieldはまさにそこを目指しています。

インテルはLakefieldに、シングルスクリーンデバイスとデュアルスクリーンクラムシェルの2つのリファレンスシステムの開発を依頼した。「設計が正しいことを確認するために、そこまでの努力が必要でした」とブライアント氏は語る。

企業は長年にわたり、このような型破りな製品の開発に取り組んできましたが、成功は限定的でした。消費者に受け入れられるには、革新的なCPUアーキテクチャ以上のものが必要です。サムスンやRoyoleが最近発表したような折りたたみ式スマートフォンには、何よりもまず画期的なディスプレイ材料が必要です。

つまり、IntelはLakefieldによって、形も大きさも不確かなパズルの重要なピースを作り上げました。しかし、これを欠点と捉えてはいけません。次世代のハイブリッドデバイスが実現する時が来たら、彼らは今や、それぞれのニーズにふさわしいCPUを手に入れることができるのです。

インテルの長期的な野望はLakefieldだけにかかっているわけではないことも忘れてはなりません。待望の10nmクライアントプロセッサ「Ice Lake」は、ついに月曜日にフルデモを実施し、製品の出荷は次のホリデーシーズンに間に合うと予想されています。インテルはまた、推論用ニューラルネットワークプロセッサ「Nervana」も披露しました。これは、AI分野での競争力維持に役立つでしょう。そして、NervanaはサーバーCPU市場の約99%のシェアを依然として維持しています。

「インテルはこれまで見たこともないほど多様化している」とムーアヘッド氏は言う。

したがって、Lakefield は素晴らしいエンジニアリングの成果であるが、これは Intel、さらには Foveros 自体が進むべき道の 1 つにすぎない。

「ニッチな市場向けの低消費電力製品を作るためだけにFoverosを開発したわけではありません」とゴメス氏は語る。「私たちは、ゼロからどのように設計するかについて、長い間真剣に考えました。Lakefieldは、これから先も続く多くの製品の最初の製品です。」