iPhone Xの「頭脳」、A11 Bionicチップの裏話

Apple という巨大企業の後で、次のようなことをしても許されるでしょう。2時間の製品発表イベント火曜日、あなたが覚えていた唯一のことは、素晴らしいことだけですiPhone X。それは特別です。また、A11 Bionic CPU がなければ何もありません。

そして、A11 は、Apple の非常に集中的なシリコン チームの支援なしには成り立ちません。

「私たちは今、何世代もの製品を経て、その中核要素の一つが、私たちにとって本質的に製品の定義の一部であるチップであるという道を歩んでいることは明らかです」とアップル上級副社長は述べた。ワールドワイドマーケティング部門のフィル・シラー氏は、ハードウェアテクノロジー担当上級副社長のジョニー・スロージ氏とともに、大発表の24時間後に私と座って、アップルのやり方であるシリコンについて熱心に話し合った。

私は、11 月に出荷される iPhone X だけでなく、iPhone 8 および 8 プラス-- 主に、この新しいシステム オン チップ (SoC) でどれだけ多くのことができるかについてです。シリコンチームを率いる Srouji 氏と Schiller 氏は、私を深く、あるいは少なくとも Apple が自社の独自技術について快適に進めるのと同じくらい深く教えてくれました。

A11 Bionic は、信じられないほどのコントロールApple はデバイス作成プロセス全体を掌握しています。それは、新しい iPhone の輝くガラスで覆われたシャーシや、アップグレードされた iOS 11 ソフトウェアだけではありません。 Apple はより深いレベルで考え、取り組んでおり、自社で部品を構築する場合でも、パートナーと協力して SoC を作成する場合でも、Apple は完全にコントロールしています。

「これは私たちが10年前に始めたもので、独自のシリコンを設計しました。それがAppleのハードウェアとソフトウェアに独自に最適化されたものを真にカスタマイズする最良の方法だからです」とSrouji氏は語った。

Apple にとって、シリコン開発は iPhone 作成プロセスの本質的な部分です。 「それは単にドロップしたり構築したりするものではありません」とシラー氏は言います。

Apple は、43 億個のトランジスタをどのように、あるいは何を構築することができたのか必ずしも明確ではないにもかかわらず、自社製シリコンに深い誇りを持っています。

製品発表基調講演でのシラー氏のプレゼンテーションでは、自社開発のグラフィックス処理ユニット、最新の画像処理、過小評価されているニューラルエンジンなど、一連のiPhoneの新機能を発表した。各発表で、シラー氏は緑色で強調表示された一部のチップのスライド画像を簡単に示した。私はすぐに、それがすべて A11 Bionic の同じ画像であることに気づき、シラーが本質的に同じ巨大なプロセッサーハウス内の異なる部屋を誇示していることを世界中で見ている人々が理解しているのだろうかと疑問に思いました。

1 つのチップでこれほど多くのことができるでしょうか?これほど多くの部品、携帯電話の設計、そのさまざまな新しいコンポーネント (最新のカメラ、TrueDepth モジュール、オペレーティング システム) を開発しながら、それらすべてをサポートし、さまざまな開発とニーズを満たす単一のシリコンを設計および構築できる人はいるでしょうか。デザインチーム？

Srouji 氏は、Apple がシリコンを設計するときは 3 年先のことを考えることから始めると語った。つまり、Apple が iPhone 6 とその A8 チップを出荷していたとき、A11 Bionic は開発中だったということだ。当時、私たちはモバイル レベルでの AI や機械学習についてさえ話していなかったにもかかわらず、Srouji 氏はこう言いました。「ニューラル エンジンの組み込みは、3 年先を見据えた賭けです。」

ただし、Apple のやり方でシリコンを構築しない限り、このような賭けをすることは事実上不可能です。明確にしておきますが、Apple は CPU を製造しているわけではありません。彼らは今でもファウンドリと協力しているが、Appleはそのファウンドリの名前を明らかにしていない。実際のところ、ファウンドリは Apple のために働いており、Apple の指示に従っています。コミュニケーションを明確にするために、Srouji には、スケジュールやトランジスタの選択などに関してファウンドリと直接協力する小規模な技術チームがいます。

Apple 社内ではコミュニケーションも重要な要素です。シラーとスロウジは、何らかの形で協力的なアプローチをとる異種チームについて説明しました。したがって、その 3 年間のロードマップは、変更される可能性があります。変更される可能性があります。変更される可能性があります。

Schiller のマーケティング グループやディスプレイ チームのようなチームは、要件、つまり 3 年後に必要になると思われるものに関するアイデアを持って Srouji にやって来ます (Super Retina ディスプレイをサポートするにはどうすればよいですか?）。

「このプロセスは変更に対して柔軟です」と、初代 iPhone のときから Apple に在籍している Srouji 氏は語ります。チームが当初の計画に含まれていないリクエストを持ってきた場合、「私たちはそれを実現する必要があります。私たちは、「いいえ、ロードマップに戻って、5 年後に何かをあげます」とは言いません。

シラーとスロージは具体的な要望には触れようとしなかったが、シラーは私に次のように認めた。彼らは何年もの間その場所にいて、天と地を動かし、それを実行しました、そしてそれを見るのは驚くべきことです。」

もちろん、Apple は常に白紙の状態からスタートするわけではありません。 「世代ごとに、私たちは以前のアーキテクチャを採用しますが、それは構成要素に応じて、改善するかゼロから始めるかを決定しました」と Srouji 氏は述べています。 AI の影響を受けたテクノロジに焦点を当てていることを示す新しい名前であっても、A11 Bionic は A10 Fusion で初めて導入されたパフォーマンスの向上とテクノロジの多くに基づいて構築されていると、シラー氏と Srouji 氏は私に認めました。

シラー氏は、A11 Bionic について、デザイン、アーキテクチャ、テクノロジーの変更が組み合わさったものであると説明しました。一部はまったく新しいもので、一部は既存のプロセッサー設計を更新したものです。

A10 Fusion CPU で導入された高性能コアと効率コアは、さらに 2 つのコアの追加と非対称マルチプロセッシングを処理する機能を含む反復的なアップデートを受けました。つまり、チップは 1、2、3、4、一度に 5 つまたは 6 つのコア。 Apple によれば、現在 10 ナノメートルの CPU でコアの使用を管理していることが、A11 Bionic のエネルギー効率が 70% 向上している (A10 よりも 25% 高速であるにもかかわらず) 理由の 1 つです。システムがどのコア (高性能または高効率) を使用するか、またその数をどのように決定するかは、少しわかりません。

Srouji 氏によると、ゲームではより多くのコアが使用される可能性がありますが、システムが次に入力する単語を提案する予測テキストメッセージのような単純なものでも、高性能 CPU を利用できる可能性があります。

カメラと連携して動作する画像信号プロセッサーが更新され、色と低照度のパフォーマンスが向上しました。また、新しいポートレート ライティング モード (フロント カメラとバック カメラ) の強化にも役立ちます。このモードでは、2 つの異なる形式の 3D 顔マッピングを使用して、その場でスタジオの照明効果を作成します。

ビデオ エンコーディングが更新され、より高いフレーム レートとより優れたスロー モーションを処理できるようになりました。

セキュアエレメントが再設計されました。 「詳細には触れませんが、私たちはセキュリティを非常に真剣に考えています」とシラー氏は語った。

ただし、ニューラル エンジンとグラフィック エンジンはまったく新しいものです。

私は Srouji 氏に、Apple が何年にもわたってサードパーティ製 GPU、最近では PowerVTR の GT7600 GPU を使用してきた後、なぜ今になって独自の GPU を構築して統合することに決めたのか尋ねました。私は彼の答えを予想しておくべきでした。

「チップ、CPU、ISP、ディスプレイ上の当社のシステムを見ると、当社が差別化を図り、最適化された価値を Apple に提供できると信じており、当社はそれを自ら所有しています。私たちはそれを30年間一貫して続けてきました。」

独自の GPU を構築することも、スタック全体を所有するためのもう 1 つの鍵です。シラー氏は、現在 Apple はグラフィックス ハードウェアからコンパイラ、プログラミング言語、OS に至るまで、フレームワークやライブラリを含むあらゆるものを保有していると指摘しました。

「レゴのピースをただ積み重ねただけではありません。チームはそれらが一緒に機能するように設計しました。」とシラー氏は語ります。

チームの効率性

Apple が iPhone とシリコンの開発全体で所有するものが増えれば増えるほど、より効率を高めることができます。

たとえば、Apple のシリコン チームはエネルギー効率にこだわっていますが、応答性を犠牲にすることは決してありません。

「デバイスがアクティブではないスリープ状態のシリコンをどのように扱うか。使用していないときにバッテリーが消耗することは望ましくありません。これを低リークと呼びます。使っていないときは、使っていないのです」とスロウジ氏は語った。しかし、Srouji のシリコンは iPhone をある種の深いスリープ状態にするわけではありません。 iPhoneを持ち上げるとすぐに起動します。

iPhoneだけではありません。 Srouji のチームは内部のシリコンを設計しました。アップルウォッチシリーズ3シラー氏によれば、シリコンチームは「『何平方ミリメートルあれば電力を節約できるか？』などと平方ミリメートル単位で話し合っている」ところ、LTEを追加してコア数を2倍にしたにもかかわらず、新たな効率を得ることができたという。解決策の一部は、よりエネルギー効率の高い新しい W2 Wi-Fi および Bluetooth チップでした (Apple によると、Watch は依然として 18 時間のバッテリー寿命を約束しています)。

脳の中のAI脳

シリコンの細部へのこだわりにより、Apple は Neural Engine などの新しい SOC 機能を細かく管理することもできます。

この興味深いイノベーションは、A11 Bionic の中で最も興味深い部分かもしれません。これはモバイル CPU 上の人工知能であり、他のものとは異なる考え方をするチップの一部です。

もちろん、ニューラル エンジンの作成は、システム効率の向上を求めるシリコン チームの終わりのない探求にも部分的に関係しています。

「アプリケーションやソフトウェアを見ると、関数型プログラミング モデルを使用した方がよいアルゴリズムがいくつかあります」と Srouji 氏は言います。

これには、iPhone X の新しい顔追跡と Face ID、拡張現実関連の物体検出が含まれます。これらはすべて、ニューラル ネットワーク、機械学習、またはディープ ラーニング (機械学習の一部) を使用します。この種のニューラル処理は、CPU またはできれば GPU 上で実行できます。 「しかし、こうしたニューラル ネットワーキングの種類のプログラミング モデルの場合、そのアプリケーションを対象としたまったく同じタスクを実行するカスタム シリコンを実装する方が、グラフィックス エンジンよりもはるかにエネルギー効率が高くなります」と Srouji 氏は述べています。

ニューラル エンジンの秘訣は、A11 Bionic の他の部分と異なる点は、行列の乗算と浮動小数点処理を処理できることです。

ただし、Apple はこの神経脳をすべての人に公開しているわけではありません。

「ニューラル エンジンは、汎用的な目的ではなく、特定の一連のタスクのために存在します」とシラー氏は述べています。そのようなタスクの 1 つは、魅力的で愛らしい (少なくとも一部の人にとっては愛らしい) アニ文字で使用される顔追跡です。

ただし、開発者は、Apple の拡張現実ツールボックス ARKit を使用して行う顔認識作業を通じて、接線的な方法でエンジンを利用できます。

A11 Bionic には、カスタムのエラー訂正コード (ECC) アルゴリズムを含むストレージ コントローラーなど、Apple があまり語らない制御機能もあります。 「ユーザーがデバイスを購入するとき、当社のストレージの耐久性とパフォーマンスは製品全体で一貫しています」と Srouji 氏は私に言いました。

また、オーディオ品質を担当するデジタル シグナル プロセッサーもここにあります。 「これは私たちが非常に熱心に取り組んでいる分野です」とシラー氏は述べ、「私の友人には、これらのデジタルポートのオーディオ信号のきれいさをテストするのが大好きな極度のオーディオマニアがいます。」と付け加えました。

10 年間にわたり、Apple はシリコンにおいて目覚ましい進歩を遂げ、プロセスは 65 ナノメートルから現在は 10 ナノメートルに、トランジスタ数は約 1 億個から 43 億 1,000 万個にまで増加しました。

スロージですらその偉業に驚嘆する。 「毎年これを繰り返し、複雑さを限界まで押し上げています...私たちは世界クラスのチームを持っていると信じています。」

シリコンですが、物理的な限界に達しつつある業界の多くの企業が新しい素材や技術に注目しています。量子コンピューティング。

私はSrouji氏に、Appleが次世代のシリコン（または非シリコンベース）ソリューションを検討しているかどうか尋ねた。

「私たちは先のことを考えています。それはお伝えします。制限されることはないと思います。」そして、ほとんど後付けのように、「それはますます難しくなってきています。」と付け加えました。