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「Mac Studio」でデビューしたアップルの謎の半導体「M1 Ultra」を深掘りする

Tim Cook

アップルは3月9日未明、クリエイター向けデスクトップ「Mac Studio」を発表した。

出典:アップル

アップルが2022年春の新商品を発表した。多くの人にとっては「iPhone SE」の新機種が気になるところかもしれないが、最も大きな「新機軸」だったのはMacだ。

新機種となる「Mac Studio」では、アップルとして最も高速なCPUとなる「M1 Ultra」が搭載された。

発表会全体の解説はこちら。

撮影:Business Insider Japan

プロが求めるハイエンドなデスクトップを目指し、2021年秋に発売したプロ向けノートPCである「MacBook Pro」の上位モデルに搭載した「M1 Max」を超える性能を実現している。

M1 Ultraはどの辺が「ウルトラなつくり」になっているのだろうか?

M1 Maxを「2つ使って性能を出す」力わざ

Johny Srouji

アップル・ハードウエアテクノロジー担当シニアバイスプレジデントのジョニー・スルージ氏は、2021年秋からずっと隠していた「M1 Maxの秘密」を明かした。

出典:アップル

「M1 Maxを発表した段階で、1つ明かさなかった秘密がある」

アップルでプロセッサー関連技術の責任者を務める、ハードウェアテクノロジー担当シニアバイスプレジデントのジョニー・スルージ(Johny Srouji)氏は、発表会の映像の中でそう語りかけた。

彼らが隠していた秘密とは、M1 Maxよりも性能の高いプロセッサーである「M1 Ultra」をつくるための方法だった。

M1 Ultra

デスクトップ型Mac「Mac Studio」向けのプロセッサーである「M1 Ultra」。アップルは「史上最もパワフルなプロセッサー」だという。

出典:アップル

M1 Ultraの秘密は、アップルが公開した写真を見るとすぐにわかる。M1 Maxを並べて2つ使っているのだ。

これによって、CPUコアもGPUコアも、映像の圧縮に使う専用コアも、数がすべて倍になる。

M1 比較

左から、M1・M1 Pro・M1 Max、そしてM1 Ultra。UltraがM1 Maxを縦に並べたものであるのがよくわかる。

出典:アップル

「2つプロセッサーを並べるだけならカンタンなのでは」

と思いがちだが、実はそうでもない。

同じマザーボードの上に複数のCPUを搭載し、処理を振り分けながら高性能化するアプローチは、性能重視のPCやサーバーで一般的に使われている。

だが、このパターンでは処理の際に2つのCPUの間をデータが行き交うことになるので、効率的な設計が難しい。交通整理のために消費電力が上昇し、処理速度も思ったほどは上がらない。

不利な点

マザーボード上に単純にプロセッサーを並べただけでは、性能の点でも消費電力の点でも不利な要素が多い。

出典:アップル

かといって、1つのプロセッサーをどんどん巨大にして性能を上げていけるか、というと、これも難しい。

現実問題として、既存のM1 Max自体が巨大なプロセッサーだから、単純に規模を大きくして、より大きな半導体を作るのは、製造技術的にもコスト的にも無理がある。

Johny Srouji

スルージSVPは、「M1 Maxよりも大きなプロセッサーをつくるのは難しい」と話す。

出典:アップル

そこでアップルは、2つのチップを並べて使いつつも、効率を落とさないテクノロジーを導入した。それが「UltraFusion」という仕組みだ。

M1 Maxに搭載済みだった「高性能化への布石」

UltraFusion

M1 Ultra=2つのM1 Maxの中央に見える「継ぎ目」のような部分がUltraFusionだ。

出典:アップル

UltraFusionはプロセッサーを構成する半導体チップ(ダイ)同士をつなぐ「インターコネクト」と呼ばれる伝送技術だ。

前出のように、2つのプロセッサーをつなげて使う場合には、相互のプロセッサー同士でデータがやりとりできる「道」が必要だ。そして、この道はとても混雑しやすい。

UltraFusionは、それをある種の力技で解決している。簡単にいえば、「圧倒的に広くて短い道なら渋滞しにくい」ということ。

配線は短いほど速度面でも消費電力の面でも有利になる。「同じパッケージ」の中に入れてしまう前提で設計することで、最短に近い距離で「広い専用道」をつくってしまう、というのがUltraFusionだ。

UltraFusionでは1万以上の信号線を接続し、2つのダイの間での通信帯域は「2.5TB/秒」。この速度は、M1 Maxとメインメモリーの間をつなぐ経路(400GB/秒)の6倍以上、M1 Ultraのメモリー帯域(800GB/秒)の4倍に達する。

UltraFusionの帯域

UltraFusionの帯域は「2.5TB/秒」。低遅延であり、つながったプロセッサーを使っても動作が遅くならないようつくられている。

出典:アップル

ただ、それを実現する方法がかなり特殊だ。

あらかじめ組み合わせて使う前提で「発表済みのM1 Maxに、最初からもう1つM1 Maxをつなぐことを前提とした機能を入れておいた」という。

これが、スルージ氏のいう「M1 Maxの秘密」だ。

組み込まれていたのは、2つのM1 Maxをつなぐ仕組みだけではない。

2つのプロセッサーがあると、ソフト的には開発が面倒になる。そこでM1 Ultraは、2つ並んだプロセッサーが「ソフトからみると1つに見える」仕組みを導入している。

M1 Maxに、自分自身が搭載しているCPUやGPUだけでなく、「UltraFusionでつながったもう1つのM1 Maxの中のCPUやGPU」をコントロールする機能を載せていたのだ。

ソフトはそこにアクセスすることで、2つのプロセッサーに搭載されたCPUコア・GPUコアを「1つのプロセッサーに搭載されたもの」として動作するようになっていたわけだ。

M1 Ultraの工夫

M1 Maxは最大10のCPUコアを搭載しているが、M1 Ultraは10+10、20のCPUコアを搭載した「1つのプロセッサー」として働く。

出典:アップル

M1からM1 Pro、M1 MaxからM1 Ultraへの流れは非常に一貫性が強い。M1開発の当初から、「エントリー向け」「プロ向けノート」「ハイパワーデスクトップ」というエリアを分け、そこにうまくはまる設計と構造を組み立てているわけで、まさに「深謀遠慮」だ。

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