【CPUの基本】図解でよく分かる「プロセスルール」の意味

CPUについて、最新の世代やらスペックなどを調べていると、

• 「インテルは10nmプロセスに大苦戦。」
• 「AMDのCPUとグラボは遂に7nmプロセスに進出。」

という具合に、ナノメートル単位でCPUの凄さを表現している記事やサイトが見られる。本記事では「nmって、CPUの何の長さや大きさを示すんだろう？」という人向けに、プロセスルールを分かりやすく図解してみる。

プロセスルールとは何か？

日本では「プロセスルール」と呼ばれているが、海外では「Process Size」（プロセスサイズ）という呼び方がよく使われています。ルールよりもサイズの方が、表現としては分かりやすい。

プロセスは「製造」という意味を持ち、サイズはそのまま「大きさ」という意味がある。直訳すれば、製造の大きさ。つまり「CPUをどれだけ細かく製造しているか？」を示すのがプロセスルールということ。

具体的には「配線の太さ」とイメージする

「細かく製造する」では、まだイメージしにくい。もっと具体的なイメージに変換すると、CPUを設計通りに配線する時に使う、配線の太さだと思ってください。

AMDやインテルなどのCPUメーカーは、まず設計図（チップのデザイン）を作成します。設計図には膨大な数※の回路パターンが記されており、回路のパターンによってCPUや内蔵グラフィックス、そしてキャッシュなど。役割分担が変わってくる。

回路のパターンによって機能が変わるというのは、人間の最小単位が細胞でも、細胞同士の結びつき方によって内臓の機能が違うのと似ています。

※ CPUの場合は数十億個、グラボの場合は100億個を超える膨大なパターンが描かれている。

さて、設計図が完成したら、後は設計図に記されているパターン通りにCPUを製造する。製造というよりは、印刷と言った方が分かりやすい。ものすごくザックリと言えば、CPUの製造はキャンパスの上に鉛筆を使って回路パターンを描くだけですから。

現在はレーザー鉛筆（ArFエキシマレーザー）を使って、回路パターンを印刷（=配線）していく。プロセスルールとはまさに、このレーザー鉛筆の先端の太さをことを示す。

14nmの太さの鉛筆を使えば、14nmが配線の最小単位になる。鉛筆の太さが14nmである以上、それよりも細い線で印刷（=配線）はできません。

プロセスが細いほど、細かい設計が出来る

ここまでの解説で、「プロセスルールとはCPUの製造に使う、レーザー鉛筆の細さ」のこと。という理解ができたはず。つまりレーザー鉛筆の先端が細ければ細いほど、よりきめ細やかな製造が出来るようになる。

では、次は細かい設計と製造が出来るようになると、どのようなメリットがあるのかを解説していく。メリットが分かってしまえば、「7nmに到達、スゴイ!!」といった解説の意味がグッと分かりやすくなりますよ。

10mmのボールペンより、5mmのボールペンの方が細かい絵が描ける的な？

その理解でOKです。CPUの製造はまさに、米粒にnm単位のボールペンで億単位の線を引く作業に近い。

プロセスルールの微細化とメリット

同じ面積で、より大量のトランジスタを描くことができる

CPUの設計図に描かれている回路パターンは、基本的にはトランジスタの配置情報です。たとえば、Ryzen 7 2700Xは約48億個のトランジスタが、Apple A12は約69億個のトランジスタの配置情報が描かれている。

そして（単純に言えば）トランジスタが多いほど、CPUの処理性能は高くなる。かと言って、性能のためにトランジスタを詰め込めば詰め込むほど、大量の面積が必要になってしまう。

そこで解決策が「プロセスルールの微細化」です。製造に使うレーザー鉛筆の先端を、もっともっと細くすれば、同じ面積のキャンパスに大量のトランジスタを描くことが可能になります。

分かりやすく図解するとこの通り。14nmプロセスだと、トランジスタを4個しか描けません。しかし、半分の7nmプロセスに切り替えると、同じ面積なのに描けるトランジスタ数は16個に増加します。

• 14nm：トランジスタを4個しか描けない
• 7nm：トランジスタを16個も描ける

配線の太さが半分になっただけで、面積あたりのトランジスタ数は4倍にも増加してしまった。このことから、プロセスルールの微細化がCPUの性能とコスパを高める上で、非常に重要だということが理解できる。

歩留まり率が向上して、コスパが改善する

性能のためにトランジスタを詰め込めば詰め込むほど、大量の面積が必要になってしまう。

次はこの一文について、深掘りする。CPUの性能はトランジスタが多いほど良くなるけれど、トランジスタをたくさん載せようと思えば、大量の面積が必要になるのは明白ですよね。

では、大量の面積が必要になると何が問題なのか。端的に言うと、CPU1個あたりの製造コストが高くつくようになる。CPUは面積が大きいほど、「良品」を製造するのが難しくなるのです。

そして、良品がどれくらい出てくるかの割合を「歩留まり率」と言う。プロセスルールを微細化して設計を細かくすることで、より少ない面積で高性能を目指せるようになる。

だからプロセスルールの微細化は、性能アップをしつつ歩留まり率の向上を両立できる。

更に、チップ1枚あたりの面積が小さくなれば、同じ量のシリコンウェハー（=CPUの原材料）からよりたくさんのCPUが採れるようにもなる。微細化は確実にコスパを改善する効果があります。

性能だけでなく、消費電力も改善してしまう

プロセスルールの微細化というと性能だけに目が行くが、実は消費電力を改善する傾向もある。なぜなら、トランジスタが小さくなればなるほど、トランジスタを動かすのに必要な電力が減るからです。

わかりやすさを重視して図解すると、こんなイメージ。

トランジスタは電気が通っている状態（on状態）と、電気が通っていない状態（off状態）を繰り返している。これをスイッチングと呼び、トランジスタが大きいとスイッチングに時間が掛かってしまいます。

スイッチングに掛かっている時間が長いほど、使っている電力も多くなる。だから、プロセスルールの微細化でトランジスタが小さくなると、スイッチングに掛かる時間が縮小されるため、結果的に消費電力を減らせるというわけ。

結論、プロセスルールは小さいほど良い

基本的に、プロセスルールの微細化はメリットの方が遥かに多いことが、ここまでの解説で分かりました。

• より高性能なCPUを製造できる
• コストパフォーマンスを改善できる
• 消費電力を抑えることもできる

傾向として、より小さいプロセスルールで製造されたCPUほど、高性能かつ省電力になりやすい。だからプロセスルールの微細化は、CPUの性能アップを狙う上で「王道の手法」と言って良いです。

【参考】プロセスの微細化（世代更新）による性能変化

Intel Coreシリーズ「i3 / i5 / i7」世代一覧と性能差まとめ

実際のところ、プロセスルールの微細化に成功することで、CPUの性能がどれくらい進化してきたのか。データで知りたい人は、こちらの記事を読んでみてください。

驚くほど進化しています。

プロセスルールの「よくある勘違い」

ここまで「プロセスルールとは何か？」と、微細化のメリットについて解説してきた。ただ、初心者向けにかなり簡略化しているので、注意したい点について。少しだけ補足的な解説を行います。

実はメーカーによってプロセスルールのサイズ感が違う

初心者向けに、ものすごくザックリまとめると以下のように覚えておけばOK。

• インテルがもっとも細かい
• それ以外はインテルより一回り大きい

これだけ覚えておけば大丈夫。

詳しい解説は端折りますが、インテルがCPUの製造に使うプロセスルールは、細かいだけでなく「密度」も凄まじい。カンタンに言えば、「線」が細いだけでなく、線同士の「間隔」もギチギチに詰まっているのです。

対して、競合他社（TSMC、GLOBALFOUNDRIES、Samsung）はインテルより「密度」が緩い。

配線密度という観点から見ると、競合他社の言っている「7nm」は、インテルの言っている「10nm」とだいたい同じということが分かる。

インテル以外のメーカーが発表しているプロセスルールは、数字のまま受け止めずに、1サイズ大きいと思っておこう。「7nmなら10nmくらい、10nmなら14nmくらいだな。」という感覚。

インテルの10nm相当なのに、TSMCとかGFが「7nmだよ!!」って呼ぶのはどうなん？

一応業界としては「密度」で示そうという指針※はあるらしいけど、この様子を見る限り、守る必要は無いようです。

※国際半導体技術ロードマップによれば「最小配線ピッチの50%」を微細化の指標として扱う、と定められている（資料）。

微細化してすぐ、価格が安くなることはない

新しいプロセスルールでCPUを製造できる設備（=ファブ）に掛かる初期投資は、だいたい数千億円～1兆円を超えてしまう。CPUを作る装置が1個あたり100億円だったりするので、とにかく金がかかる。

だから、プロセスルールの微細化に成功したからと言って、すぐにコストパフォーマンスが劇的に改善することはない。初期投資を回収するという意味で、その分のコストが価格に転嫁されます。

たとえばサムスンのSSDが分かりやすい実例。新しい設備でSSDの製造を開始して、数ヶ月経ってから急に値下がりを始めたりするが、設備投資のコストを回収し終えたのが主な要因だったりする。

まとめ：プロセスルールはCPU製造の細かさ

というわけで、本記事の解説でプロセスルールが「CPUの製造に使われるレーザー鉛筆の細さ」であること、「プロセスが細かいほどCPUの性能が高くなる」ということが分かったと思います。

1971年にインテルが発表したCPUのプロセスルールは「10000nm」でした。それから約50年が経過し、現在はわずか0.14%にあたる「14nm」まで微細化された。

約714倍も、今のCPUは緻密です。別の言い方をすれば、同じ面積で51万倍ものトランジスタを載せられる。クロック周波数は6000倍以上に進化し、性能は100万倍以上も違う。

微細化に限界がやってきた感はある

ただ、最近のCPU界はだんだんプロセスルールの微細化が遅くなっている。インテルは2014年以降、そろそろ5年間も「14nm」プロセスを使い続けています。

「10nm」プロセスの生産がまったく上手く行かず、延期に延期を重ね続けている。10nmですら、あのインテルが猛烈に苦戦しているというのに、ここから更に7nm →  5nm →  3nmへと微細化が進むイメージが持てない。

そこでAMDが模索し始めているのが「積層」です。平面への拡張がダメなら、立体に拡張すればいいじゃない。という考え方。ちなみに現在のSSDは積層が使われています。平面では色々と限界があったので。

こんな感じ。これはこれで、どうやって熱を処理するのか、などなど課題は多い。近い将来に実現するつもりは当然なく、遠い将来は3Dの積層構造のCPUが誕生するかも…しれないくらいの状況です。

プロセスルールの微細化スゴイじゃん!!ってテンション上がったけど、今は止まってるのね…残念。

微細化の効果は美味しいが、実現するためのコストも極めて大きい、ということ。

以上「【CPUの基本】図解でよく分かる「プロセスルール」の意味」でした。

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