Intel“逆襲”の鍵はやはり「AIプロセッサ」か　次世代CPU「Core Ultra（Meteor Lake）」を解説（後編）

　Intelは9月19日（米国太平洋夏時間）、モバイル向け次世代CPU「Core Ultraプロセッサ」（開発コード名：Meteor Lake）のアーキテクチャの詳細を発表した。

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　発表に先駆けて技術説明会に参加した筆者は、その詳細を2つの記事に分けて紹介することにした。前編は、読者からの関心が特に高いであろう、CPUコアにまつわる特徴を中心に解説している。

　前編で取り上げたことを軽くおさらいすると、以下の通りとなる。

・Meteor Lakeは「タイルアーキテクチャ」という、Intel独自のチップレット技術を採用

・タイル（チップレット）は「Compute」「Graphics」「I/O」「SoC」の4つ

・Compute Tileは、基本的に第12／第13世代CoreプロセッサのPコア／Eコアの改良版

・SoC Tileにも、追加で消費電力をより削減したCPUコア「LP Eコア」を搭載

・PコアとEコアに処理を割り振る「Intel Thread Director」に改良を実施

　今回は、SoC Tileに搭載されるLP Eコア以外の機能と、Graphic TileやI/O Tileの詳細をひもとく。

【訂正：9月24日8時20分】NPUのスペック表記の一部に誤りがありました。おわびして訂正いたします。

●全モデルに搭載される「NPU」

　SoC Tileには、LP Eコアと並んで注目すべき機能として「NPU（Neural-network Processing Unit：AIプロセッサ）」が搭載されている。NPUはAI（人工知能）に欠かせない「推論処理」を高速化する演算ユニットで、「推論プロセッサ（アクセラレーター）」とも呼ばれる。

　NPUは従来、GPUやスマートフォン向けSoCに搭載されることが多かった。GeForce RTXシリーズなど、NVIDIAのGPUに搭載されている「Tensorコア」や、AppleのMac／iPhone／iPad向けSoCに搭載される「Neural Engine」などは、広く認知されているだろう。

　神経回路を意味する「Neural（ニューラル）」を冠することから、えらく高度なことをやっているようなイメージもあるNPUだが、実際にやっていることはただの行列演算である。

　Meteor Lakeに搭載されたNPUは、Intelに買収されたMovidius（モビディウス）という企業が開発していた「VPU（Vision Processing Unit）」の思想を色濃く反映している。

　Meteor Lakeでは、1基のNPUに2基の「NCE（Neural Compute Engine：ニューラル演算エンジン）」が搭載されている。NCEの1基当たりの演算能力は、FP16（16bit浮動小数点演算）で1クロックあたり1024回、INT8（8bit整数演算）で1クロックあたり2048回だ。

　Meteor LakeのNPUには、推論プロセッサの他、128bitの「SIMD-VLIWプロセッサ」も搭載されている。このプロセッサはいわゆる「DSP（Digital Signal Processor）」なのだが、Intelによると、これはMovidiusが開発した「SHAVE（Streaming Hybrid Architecture Vector Engine）」を“そのまま”載せたものだという。

　一般的に、DSPは入力されたデータストリームの1つ1つに対して、短いプログラムを適用して演算を進めるイメージがある。それに対して、SHAVEはPlayStation 3のメインプロセッサとして知られる「Cell Broadband Engine」に内包されていた「SPU（Synergistic Processing Unit）」に似た実装となっている。

　具体的には、メインCPUを介さずにメインメモリからデータを入出力できる「DMA（Direct Memory Access）」に対応している他、スクラッチパッドメモリをローカルメモリ空間として活用し、超高速なデータ加工を行えるようになっているからだ。

　ブロック図を見ると、SHAVEが占める面積は小さい。しかし、ほぼCPU的に複雑なデータ処理を行える。具体的には、128bitベクトル演算器、32bit整数演算器、32bit整数8要素SIMDスカラ演算器、比較命令、分岐予測、ループ制御など、高度なプログラミングが可能な各種演算器を搭載している。依存関係がなければ、1クロックあたり最大で8つの命令を実行できるという。

　さて、気になる「NPUの活用方法（≒プログラミングモデル）」だが、新命令セットを用いるのではなく、Intelが開発した深層学習型AIの開発フレームワーク「OpenVINO」のAPIを介して利用する形態を取る。Microsoftと連携して開発してきた、WindowsからNPUを利用するためのサブシステム「MCDM（Microsoft Compute Driver Model）」にも対応する予定となっている。

　そのため、AIを利活用するWindowsアプリがOpenVINOまたは「DirectML」をベースに構築されている場合、PCにMeteor LakeのNPU／GPU用のMCDMドライバーがインストールされていれば、NPU／GPUによるAIアクセラレーションが有効となる。

　ちなみに、MCDMドライバーの実体構造は「3Dグラフィックス関連の機能を省いたGPUドライバー（≒WDDMドライバー）そのものに相当」するそうだ。

　なお、NPUが搭載されておらず、かつMCDMドライバーのないGPUを使っている環境でも、OpenVINOから「MKL-DNN（Intel Math Kernel Library for Deep Neural Networks）」にアクセスできれば、CPUコアを用いた代替演算で当該アプリを稼働できる。

　Intelでは、今後リリースされるCoreプロセッサの多くにNPUを搭載する予定だという。とりわけ、Meteor Lakeでは全製品（SKU）にNPUを搭載するとしていて、「AIアプリの実行」という観点から、Intelプラットフォームの“巻き返し”を図る方針だ。

●強化された「ディスプレイエンジン」「メディアエンジン」

　SoC Tileには、LP EコアやNPU以外にも、PCを構成する上で重要な機能が搭載されている。映像出力回りをつかさどる「Xe Display Engine」と、動画のエンコードやデコードを担う「Xe Media Engine」は、その典型例だ。

　いずれのエンジンも、名前に自社製GPUアーキテクチャである「Xe（エックスイー）」を冠しているが、Graphics Tile（GPU）には搭載されていない。I/O Tileにある映像出力インタフェースを含めて、あえて“分散”させている。

Xe Display Engine：最新の映像出力規格も対応

　Xe Display Engineは、先述の通り映像出力回りの制御を担う。ただし、ディスプレイ出力インタフェースはI/O Tileに搭載されている。

　映像出力は、最新の「HDMI 2.1」や「DisplayPort 2.1（最大20Gbps×4レーン＝80Gbps）」に対応している。超高解像度／超高リフレッシュレートの映像出力も可能で、以下のような映像フォーマットに対応している（一部はデータを圧縮した上で伝送される）。

・8K（7680×4320ピクセル）／60Hz／HDR

・4K（3840×2160ピクセル）／60Hz×4画面

・フルHD（1920×1080ピクセル）／360Hz

・WQHD（2560×1440ピクセル）／360Hz

Xe Media Engine：AV1のデコード／エンコードにも対応

　Xe Media Engineは、最大で8K／60fps／HDRのデコードとエンコードに対応する。対応コーデックは「VP9」「H.264（MPEG-4 AVC）」「H.265（HEVC）」だけにとどまらず、「AV1」のデコードとエンコードにも対応している。

　機能面から見ると、最近の独立GPUに統合されたメディアエンジンに見劣りしないスペックだ。

　SoC Tileには他にも、DDR5／LPDDR5（X)規格のメモリに対応する「メモリインターフェース」、Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax）／Wi-Fi7（IEEE 802.11be）規格に対応する無線LANやBluetooth 5.xなど、無線通信をつかさどる「無線通信ブロック」などが統合されている。詳細な機能については、I/O Tileの解説の節に掲載する模式図で確認してほしい。

　続けて、GPUコアを内包するGraphics Tileの説明に進もう。

●内蔵グラフィックスは「Iris Xe Graphics」から「Arc Graphics」に

　Meteor Lakeでは、Graphics Tile（内蔵GPU）の性能が大幅に強化されたこともホットなトピックの1つだ。GPUとしての名前も「Intel Iris Xe Graphics」から「Intel Arc Graphics」に改められている。

　GPUのアーキテクチャは、新登場となる「Xe-LPG」を採用する。新登場とはいうものの、既存のIntel Arc Graphicsで使われている、ゲーミング向けの「Xe-HPG」をベースに開発されたものだ。LPGは「Low Power Graphics（低電力グラフィックス）」の略で、省電力性にも配慮がなされているという。

　Xe-LPGアーキテクチャのブロックダイヤグラム（設計模式図）は、ベースとなったXe-HPGと似ている。

　GPUとしての処理性能は「レンダースライス」と呼ばれるGPUクラスターの数で調整している。今回登場したMeteor Lakeでは、これを2基搭載している。1基のレンダースライスには、演算ユニットに相当する「Xeコア」が4基搭載されている。つまり、Meteor Lakeの内蔵GPUにはXeコアが合計8基存在する。

　この構成は、モバイル向けのエントリーGPU「Intel Arc 370M Graphics」と同一だ。

　Xeコアを子細に見てみると、1つ当たり16基の「Xe Vector Engine（XVE）」を備えている（GPUコア全体では16×8=128基）。その名の通り、XVEはベクトル演算エンジン、もう少し詳しくいえば256bitの「SIMD浮動小数点ベクトル積和算演算器」だ。

　XVEでFP32（32bit浮動小数点数）演算を行う場合、256÷32＝8、つまり1つの命令で8つの計算を並行して行える。GPUコアの稼働クロックを仮に「2GHz」とした場合、Meteor Lakeの内蔵GPUにおけるFP32演算の理論性能は、以下の通りとなる。

8（同時計算数）×16（XVEの数）×8（Xeコアの数）×2FLOPS（積和算）×20億Hz（稼働クロック）＝4兆960億（FLOPS）

　まあ、ざっくりいえば約4TFLOPSの演算性能があるということだ。動作クロックが半分の「1GHz」だとしても、約2TFLOPSの演算パフォーマンスは確保できる。

　いずれにせよ、CPUに内蔵されたGPUとしては高性能であることは間違いないだろう。

　Xe-LPGアーキテクチャは、Xeコアと対になる形で「レイトレーシング（RT）ユニット」を備える。

　つまり、1つのレンダースライスで8基、Meteor Lakeの内蔵GPUの場合は2×8＝16基のRTユニットを備えている。ようやくIntelのCPU内蔵GPUもRT対応を果たしたことには、ある種の感慨を覚える。

超解像／アンチエイリアス技術「XeSS」の実装方法には差異も

　ここまでを見ていると、Meteor Lakeの内蔵GPUは、外部GPUとしてのIntel Arc Graphicsと全く同じ構成に見えるが、実際には大きく異なる部分も見受けられる。

　まず、Xe-HPGアーキテクチャでは搭載されていた推論プロセッサ「Xe Matrix Engine（XMX）」が省かれている。先述の通り、Meteor LakeのSoC TileにはNPUが搭載されているので、「Graphics Tileには不要だ」と判断されたのかもしれない。また、XMXは1024bit幅の行列積和算演算器で、搭載するとそれなりの面積が必要なので、省スペース化の観点から省くことにした可能性もある。どちらも理解はできる。

　ただ、単純にXMXを省くと困ったことが起こる。「Intel版DLSS」とも言われる超解像／アンチエイリアス技術「Xe Super Sampling（XeSS）」が利用できなくなってしまうのだ。これは、XeSSがXMXの演算能力に依存した機能だからである。

　しかし、Intelは「XMXが省かれていても、XeSSは問題なく利用できる」という。どういうことなのだろうか？

　実は、XeSSのAI処理系は「プログラマブルシェーダモデル6.4（SM6.4）」ベースのシェーダコードで書かれている。XMXがあるGPU（≒Xe-HPGアーキテクチャGPU）の場合、このコードはXMXにおいて処理されるが、XMXがないXe-LPGアーキテクチャのGPU（≒Metero Lakeの内蔵GPU）では、普通のプログラマブルシェーダコードとしてXVEを使って実行されるのだ。

　こうして、XeSSはXe-HPGでもXe-LPGでも保たれることは保たれた……のだが、Xe-LPGで動かした場合はグラフィックス描画に動員されるべきXVEが、XeSSの処理に回されてしまう可能性がある。つまり、XeSSを使う場合はGPUのパフォーマンスを3Dグラフィックス描画へと“全振り”できない状況になる。

　まあ、このあたりもIntelとしては「CPU内蔵GPUだから、これくらいは別にいいでしょ」という判断なのだろう。

　最後に、Meteor Lakeの入出力バス回りを見てみよう

●あえてI/O TileをSoC Tileから分離した理由

　その名の通り、I/O Tileはシステムの入出力インタフェースを担う。このタイルはSoC Tileとの関係が深く、同タイルと直結するような構造となっている。

　前編で掲載した全体図でも分かる通り、Meteor LakeはSoC Tileが“ど真ん中”に来るような設計となっており、Compute TileやGraphics TileもSoC Tileを介して他のタイルにアクセスするようになっている。

　上の図で注目すべきポイントは、SoC Tileにある「NOC（Network On Chip）」と「I/O Fabric」という部位だ。

　NOCはSoC上にある各種キャッシュメモリのコヒーレンシー（一貫性）の確保に対応しており、各タイルを高速につなぐためのコネクトファブリック（バス）として機能する。NOCに接続されるのは、CPUコア、NPU、GPU、メモリコントローラーなど、システムの中枢を占める部位となる。そのため、リングバス接続ではなくクロスバー接続に近い構造としたという。

　一方で、I/O Fabricは、キャッシュのコヒーレンシーが保証されない接続バスで、ここにはEthernetインタフェース、オーディオ機能、USB 3.2／USB 2.0インタフェース、Serial ATAインタフェース、セキュリティプロセッサなどが接続されている。I/O Tileは、このI/O Fabricに接続される。

　……となると、「I/O TileはSoC Tileと統合しても問題ないのでは？」という疑問が湧いてくる。しかし、I/O Tileをわざわざ分離しているのには理由がある。そう、プロセッサの位置付けに応じて入出力インタフェースの仕様を変えやすくするためだ。

　例えば、あるプロセッサの下位モデルではPCI ExpressやThunderboltなどのインタフェース類を必要最低限に抑えたI/O Tileを搭載することで消費電力やコストを抑える一方で、上位モデルでは高機能／多機能なインタフェースを備えるI/O Tileを搭載する、といった“差別化”が容易になる。

　超低コスト、あるいは超低消費電力なプロセッサから、超高機能なプロセッサまで、同じアーキテクチャで多用なCPUを作り分けるのに都合が良いというわけだ。

●Meteor Lake譲りの“デスクトップ向け”CPUにも期待

　パッケージのイメージ画像からも分かる通り、今回アナウンスされたMeteor LakeことCore Ultraプロセッサは、あくまでもノートPC向けのCPU（SoC）である。

　「デスクトップ版は？」という所だが、現時点においてIntelから正式なアナウンスはない。各種情報を総合すると、新製品は第13世代Coreプロセッサの改良版、つまり「Raptor Lake Refresh（仮）」になる可能性が高い。Foveros技術を駆使したタイルアーキテクチャで作られるデスクトップ向けCPUは、2024年後半に出てくる「Arrow Lake」（開発コード名）において初登場するだろうと言われている。

　性能重視のゲーミングPCの導入を考えている人は、そのあたりのCPU動向を考慮に入れて、ゲーミングPCの導入やリプレースの判断をするといいだろう。