スマホや組み込みデバイスに搭載されているCPUの大半が「ARM」です。
そのため、多くの人が複数台の、「ARM」のCPUが搭載されてたデバイスを持っていると思います。
しかし、普及率と比較すると「ARM」の認知度は低いですよね…。
intelより多くのデバイスに搭載されているにも関わらず。
とうことで、今回は「ARM」がCPUはなぜ認知度が低いのか、またどのような特徴があるのか、ビジネスモデルやライセンス形態を含めて徹底解説していきます。
「ARM」とは？
「ARM」は、1990年にAppleやAcorn Computersの合弁事業として設立した、イギリスを本社に置く、スマホやモバイルデバイス、組み込み向けにCPUやGPUのIPライセンスを主軸にシステムなどの販売している会社です。
IPライセンス主体の販売形態から、intelやAMD、Qualcommなどとは異なり、CPUの開発をしているにも関わらず製品としてのCPUの製造は一切していません。
また、2016年にソフトバンクの買収されましたが、2020年には4.2兆円でGPU界のトップのNvidiaに売却しています。
「ARM」のCPUとは？
「ARM」のCPUは、パソコンを除けばスマホは勿論、タブレットやモバイル系のゲーム機、カーナビやルーターに至るまで、様々デバイスに搭載されています。
また、小型で省電力性能に優れる、RISC型のCPUのアーキテクチャーのため、スマホやタブレットなどのモバイル機はもちろん、カーナビやSTB、白物家電などの組み込みではシェアは圧倒的。
その出荷実績は、2017年で210億以上とされており、IoTなどが加速する現在では更に多くの「ARM」を搭載したデバイスが世の中に出荷され、2020年にはAppleのMacもintelのCPUから「ARM」に変更されたので、今後増々出荷台数は増えていくでしょう。
「ARM」のCPUの特徴
圧倒的なシェアを持つまでになった、「ARM」のCPUアーキテクチャーですが、ここまでのシェアを維持するには2つの理由があります。
- 小型かつ高い省電力性能
- IPライセンスの販売
①小型かつ高い省電力性能
ARMは、intelやAMDなどのパソコンに使われるCPUと比較すると圧倒的に省電力で小さいのが特長です。
その分性能も低かったのですが、スマートフォン登場以降は製造プロセスの進化と合わせて高性能化も果たしています。
そのため、現在では省電力性能の維持しつつ大幅に処理性能向上。
特に2019年のCPUコア「Cortex-A76」では、intelのSkylakeに迫るパフォーマンスも実現できるようになり、2020年に登場したApple M1ではワットパフォーマンスはだけでなく、intelやAMDのCPU性能を上回るARMアーキテクチャを採用したCPUも登場しています。
②IPライセンスの販売
圧倒的なシェアを維持し続けられる理由として、製造一切行わず半導体メーカーに合わせた柔軟なIPライセンスの販売が最も影響しているでしょう。
柔軟性という意味では、「Cortex-A」などの既にあるCPUコアのハードマクロによる提供から、Appleなどが採用する「v8-A」アーキテクチャのみのライセンスなど多様かつ幅の広い対応を実現しています。
そのため、顧客が自社に最適な契約を選うことができ、場合によってはカスタム可能。
そのため、双方のメリット大きく圧倒的なシェアの根底にある販売方法といえますね。
「ARM」のCPUが使われる理由
それではなぜ、これほど多くの製品に採用されるかというとビジネスモデルが深く関わっています。
「ARM」の販売方法は、intelやQualcommなどのメーカーと異なり、自らCPUの製造をせず、CPUのIPライセンスを様々な形態で柔軟に提供するビジネスモデル。
IPライセンスの販売という他とは異なるビジネスモデルを採用することで、多くの半導体メーカーが採用し、その流れが一度できてしまうとエコシステムとなり、より「ARM」CPUの採用が増えた結果高いシェアを獲得しているといえるでしょう。
結果、現在210億個以上の出荷というとんでもない結果を残すことが出来たんですね。
競合としては、「RISC-V」などのオープンアーキテクチャもありますが、エコシステムが確立されていないため、まだまだ「ARM」が採用され続けると思われます。
「ARM」のGPUとは？
「ARM」は、CPUだけではなく主にスマホの「SoC」に搭載されるGPUの設計やIPライセンスもトータルで提供。
性能そのものは、QualcommのAdrenoやAppleのGPUに対して優位性は少ないものの、高いシェアを持つCPUとセットで提供できる強みから競合のイマジネーション・テクノロジーズの「PowerVR」より多くの「SoC」メーカーに採用されています。
具体的には、MediaTekの「Helio」、HiSliconの「Kirin」、Samsungの「Exynos」のローエンドからハイエンドまで幅広い「SoC」に搭載され、独自のGPUを開発している「SoC」メーカー以外からのでシェアは高いといえるでしょう。
また、「ARM」のGPUである「Mali」は、CPUに比べると歴史は浅く2005年に「Mali-55/110」が発表されたのが最初です。
搭載された最初のスマホはSamsung Galaxy S IIで、「Mali-400MP」を「Exynos4」のGPUとして採用しました。
「ARM」のCPUとGPUの歴史
スマホやフィーチャーフォンが登場する以前の「ARM」のCPUは、今とは比べ物にならないくらい性能が低くほぼ組み込みシステムに採用されるCPUでした。
しかし、携帯電話の高機能化やスマートフォンの登場に伴い、一定の省電力性能や小型サイズを維持しつつ高性能化に舵を切り、桁違いに性能が向上。
また、りサーバー分野などにも進出しより幅広い分野で採用が進んでいます。
GPUに関してもスマートフォンの高機能化に伴い、GPUの重要性が増すタイミングで参入。
IPライセンスのビジネスモデルで「SoC」メーカーなどに採用されることで後発にも関わらず、しっかりとシェアを獲得してます。
CPUと異なり、GPUでは競合が多くCPUと同じ様な圧倒的なシェアとは言えないものの、ローエンドモデルのスマホで搭載率の高いMediaTekやスマホの世界シェア1位と2位のSamsungやHUAWEIの「SoC」にも搭載されるなど健闘しています。
「ARM」のCPUのライセンス形態
「ARM」のアーキテクチャは、幅広いライセンス契約可能です。
ライセンス形態を大きく分けると以下の4つになります。
- アーキテクチャの提供
- ソフトマクロによる提供
- ハードマクロによる提供
- メディアIP毎提供
①アーキテクチャの提供
Appleが使う契約が、「v8-A」と呼ばれるアーキテクチャのみの契約でこの契約の場合、基本となるアーキテクチャ以外は提供されません。
そのため、CPUコアの設計や「SoC」の製造パターンも自社で行う必要があるためコストは高くなります。
反面、自社でCPUコアの設計から行えるため独自性や最適化ができるメリットも大きく独自のプラットフォームかつパイの大きいAppleなどに向いたライセンス形態です。
②ソフトマクロによる提供
ソフトマクロによる提供は、アーキテクチャの提供と異なり「Cortex-A」などのCPUコアの提供を行います。
「SoC」の開発メーカーでいうとQualcommやHiSliconが該当します。
ただ、Qualcommの場合は、ARMが提供するCPUコアをARMと共にカスタムしているのでやや変則的な契約でしょう。
③ハードマクロによる提供
ハードマクロは、半導体の製造パターンまで提供します。
この場合、「TSMC」などのファウンダリで製造する設計まで提供してもらえるので技術的には難易度を大幅に下げることが可能です。
その分独自性がなくなる欠点もありますが、半導体の製造は大きな投資になるので顧客としてはリクスが下げられるため、組み込み向けでは最もよく使われる契約になります。
④メディアIPごと提供
「ARM」は、GPUの提供もしているので③までの形態と併用してGPUの提供を受けることも可能です。
MediaTek、HiSlicon、Samsungなどのスマホ向けの「SoC」を開発しているメーカーは、GPUの提供を受けているのでここも該当しますね。
また、Samsungの場合はかなり特殊で、CPUコアと並行してアーキテクチャーのライセンス契約もしているため、独自のカスタムコアを採用でき他社と比べてシングルコア性能の高いCPUを搭載するなど独自性を出しています。
「ARM」のCPUコア「Cortexシリーズ」の種類
現在、スマホの「SoC」では、Appleの「Aシリーズ」、Samsungの「Exynos」で採用されるカスタムCPUを除き「ARM」の「Cortex-A」というラインナップのCPUコアが採用されています。
また、スマホに使われる「Cortex-A」以外にもRTOS用の「Cortex-R」や組み込み向けの「Cortex-M」もあるので併せて紹介していきます。
①スマホに使われる「Cortex-A」
「Cortex-A」は、スマホ向けに開発されているCPUコアでARMのCPUコアの中では最も性能が高いシリーズです。
また、近年「big.LITTLE」とう用途や特性の異なるCPUコアを「SoC」に搭載するヘテロジニアスマルチコアに最適化された、ラインアップで開発しています。
具体的には、Cortex-A75などの7から始まる高性能なCPUコアとCortex-A55と呼ばれる省電力性と小型化に特化したCPUコアの構成。
このCPUコアの構成と、DynamIQという技術により最適に運用されることで、高性能かつ低省電力を高いバランスで実現しています。
②RTOSの最適化された「Cortex-R」
「Cortex-R」は、リアルタイムOSに適したCPUコアで「Cortex」ファミリーの中ではミドルレンジに位置するシリーズ。
汎用的に使える「Cortex-A」に対して、リアルタイムOS向けのためレスポンスを重視しています。
そのため、CPUの処理性能としては「Cortex-A」より劣ります。
また、「Cortex-R」はその特性から自動車などリアルタイム性がよりシビアな製品に採用されることが多いです。
③組み込みに向けに最適化された「Cortex-M」
「Cortex-M」は、マイコンのMが語源の省電力性が高くCPUコアが非常に小さい「Cortex」ファミリーの中ではローエンドのCPUコアです。
性能は低いですが、互換性に重点がおかれアプリケーションを最適化した組み込み向けの製品で活用されます。
「ARM」のスマホ用CPU「Cortex-A」とカスタムコアの比較
「ARM」のCPUコア「Cortex-A」は、年々高性能になってきています。
しかし、CPUのシングルコアの性能でいうと「v8-A」アーキテクチャをカスタムしているAppleの「Lightning」コアやSamsungの「M5」コアの方がシングル性能では遥かに上です。
というのも、2019年のスマホに搭載される「Cortex-A76」では、命令を処理するデコードが4命令デコードのところ、Appleの「Vortex」コアでは、7命令デコードと1.75倍となっておりCPUのシングル性能で差がつくのは必然といえるでしょう。
しかし、2020年のスマホから搭載される「Cortex-A77」では、4命令デコードながら専用キャッシュからは6命令デコードとすることで、1.5倍に性能がアップ。
また、最新の「Cortex-X1」では5命令デコードと確実に性能を挙げていますが、Appleの「A14 では8命令デコードのため追いつくにはまだ時間がかかりそうです。
このあたりのCPUシングルコア性能については、Geekbenchで顕著に差が出てますので下記の記事をご参照くださいませ。
「ARM」のCPUについてのまとめ
全てのスマホに搭載される「ARM」のCPU。
認知度の割に、恐ろしいほどのシェア維持し続ける裏には、既製品を売るのではなく、独自カスタムもできるライセンスなどのライセンスを提供する柔軟な販売方法が、メーカー側にも差別化しやすいメリットを生み、採用を加速しているといえるでしょう。
intelやAMDなどの販売形態だとメーカー側は実質差別化が難しいですからね。
「ARM」の最新情報
「ARM」関連の最新のコアなどを中心に情報を追加していきます。
2020年2月「Cortex-M55」と「Ethos-U55」を発表
2020年2月、ARMはマイコン向けの「Cortex-M55」とAIの演算に最適化されたNPUの「Ethos-U55」を発表しました。
両コアはセットでの利用を想定して開発されており、「Cortex-M55」と「Ethos-U55」の組み合わせで音声アシスタントを利用した場合、前モデルと比べ50倍ほど性能がアップしています。
音声以外にもスマホのカメラなどAIが活用される領域は増えてきているので、今後ますますNPUの重要性は増していきそうです。
2019年5月「Cortex-A77」と「Mali-G76」を発表
2019年5月、ARMは「Cortex-A77」と「Mali-G76」を発表しました。
現在メインストリームの「Cortex-A76」と比較するとシングルコアで20%以上の性能向上を果たしています。
Appleの「Voltex」やSamsungの「M4」などにはまだ、及びませんがARMのCPUコアでも徐々に性能が追いついてきているは嬉しいですね。
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