高クロック化の限界

秋に発売したAMD FXシリーズはターボ時とは言え遂に4GHzを超えましたね。
しかし、Pentium4 が3.8GHzに達して以来、定格で4GHzを超えるCPUは登場していません。
ではなぜなかなか4GHzを突破しないのでしょうか？
それはマーケティング上の理由もありますが、消費電力と発熱の限界が大きいです。

Intelによると、クロックを20％上げると、パフォーマンスは13％しか上昇しないのに、消費電力は73％も上昇するとしています。
逆にクロックを20％下げると、パフォーマンス低下は13％にとどまりながら、省電力は49％も低下するそうです。
これは高クロック化で性能を上げるより、マルチコア化で性能を上げたほうがワットパフォーマンスがいいことを示しています。

例えば、高クロック化に適した設計のNetBurstアーキテクチャを採用したPentium4は、理論上10GHｚ越えも可能とされていました。
しかし、シュリンクが進むにつれてリーク電流が増え、消費電力と発熱が減らせず、高クロック化に行き詰りました。
そのためIntelはそれまでの高クロック化路線を転換し、クロックあたりの効率を重視した設計に切り替えました。
それが現在Intelの主力になっているCoreから続くアーキテクチャで、初めこそ低いクロックからスタートしましたが、現在ではターボ時4GHｚに届きそうなクロックになりました。
一方、クロックでシングルスレッド性能を補う方針に転換したAMDのBulldozerアーキテクチャは、ターボ時4GHｚを超えていますが、水冷クーラーが欲しくなるほどの発熱と高い消費電力に悩んでいます。

消費電力と発熱、その他を無視すればもっとクロックを上げることはできます。
しかし、消費電力と発熱を増やしすぎると、扱いづらいCPUとなり売れなくなります。
また、クロックとクロックあたりの性能のバランスを考えて設計していなかないと、クロックと発熱の割に性能が伸びません。

最後にマーケティング上の理由ですが、下位が最上位のクロックを超えないようにしているそうです。
最上位はコア数が多いため、消費電力や発熱も相応に多く、クロックが上げにくくなっています。
ただ、クロックを抑えているから性能が低いということはなく、クロックを多少落としてでもコア数を増やしたほうがCPU全体としての性能は高くなります。
コア数の少ない下位はさらに高クロック化できても、マーケティング上最上位を超えないように抑えているそうです。