【ITニュース解説】A history of ARM, part 1: Building the first chip (2022)

ARMは、今日のスマートフォンやタブレット、そしてIoTデバイスなど、私たちの身の回りにある多くの電子機器の頭脳として機能するプロセッサの設計思想、つまりアーキテクチャを指す。その基盤がどのようにして生まれたかという物語は、当時のコンピューティング技術が直面していた課題と、それに対する大胆な革新の歴史を紐解くものだ。

物語は1980年代のイギリスに遡る。Acorn Computersという会社は、BBC Microという教育用コンピュータで大きな成功を収めていた。しかし、彼らが次世代の高性能なコンピュータを開発しようとした際、当時の既存プロセッサでは性能面やコスト面で限界を感じていた。当時、コンピュータ市場の主流だったのは、インテル社のx86系プロセッサなどに代表されるCISC（Complex Instruction Set Computer）アーキテクチャを採用したチップだった。CISCは、一つの命令で多くの複雑な処理を実行できるため、プログラムの記述が簡潔になるという利点があった。しかし、その反面、プロセッサ内部の回路が非常に複雑になり、命令の実行速度が遅くなりがちだったり、消費電力が増大したり、製造コストが高騰したりするという問題を抱えていた。特に、CPUの処理速度とDRAM（メインメモリ）のアクセス速度の間に大きな隔たりが生じ、CPUがメモリからのデータ待ちで停止する「メモリウォール」問題が顕在化しつつあり、CISCプロセッサはその効率性で頭打ちになり始めていたのだ。

Acorn社の優秀なエンジニアであったソフィー・ウィルソンとスティーブ・ファーバーは、この状況を打破するため、全く新しいアプローチを模索した。彼らが注目したのは、RISC（Reduced Instruction Set Computer）という設計思想である。RISCは、CISCとは対照的に、ごく基本的な処理しか実行できない簡素な命令セットを持つことを特徴とする。これにより、プロセッサ内部の回路を極めてシンプルに設計することができ、各命令の実行を非常に高速にすることが可能になる。また、回路がシンプルなため、消費電力を大幅に抑えられ、製造コストも低減できるという大きなメリットがあった。RISCでは、一つ一つの処理は単純であるため、CISCに比べて多くの命令が必要となりプログラムは長くなりがちだが、全体の処理効率と速度は向上する。彼らはこのRISCの考え方をベースに、独自のプロセッサ開発に着手した。これが後のARM、当初は「Acorn RISC Machine」と呼ばれるチップの始まりである。

開発チームは、まず既存のRISCチップを徹底的に研究し、それを上回るものを目指した。彼らの目標は、小型でありながら、当時の主流プロセッサと同等かそれ以上の性能を持ち、かつ非常に低消費電力で動作するチップを作り出すことだった。最初の試作チップであるARM1は、主に開発ツールとして利用された。そして1986年、ついに実用的なチップであるARM2が誕生する。ARM2は、わずか3万個程度のトランジスタで構成されており、これは当時のインテル80286プロセッサの約13万個と比較しても格段に少なかった。にもかかわらず、ARM2は80286を凌駕する性能を発揮し、さらに消費電力も非常に低かった。この設計のシンプルさこそが、高性能と低消費電力を両立させるための鍵となったのだ。

ARM2の設計における重要な特徴の一つは、DRAMへの効率的なアクセス方法だった。当時のシステムでは、CPUがDRAMからデータを読み書きする際、CPUの動作が停止することが頻繁に発生し、これがシステムの性能ボトルネックとなっていた。ARM2は「サイクルスティール（Cycle Stealing）」と呼ばれる手法を採用し、CPUが内部処理を行っている間に、メモリへのアクセスをDRAMコントローラに任せることで、CPUのアイドル時間を有効活用した。これにより、システムの全体的な効率が向上し、メモリウォール問題に対する賢明な解決策を提供したのである。

この革新的なチップは、Acorn社の次世代コンピュータであるAcorn Archimedesに搭載され、その高性能ぶりを遺憾なく発揮した。また、ARMチップの優れた特性は、当時のApple社も注目するところとなった。Appleは、将来の携帯情報端末（PDA）であるApple Newtonのために、高性能かつ低消費電力のプロセッサを求めていた。AcornのARMチップは、まさにその要件に合致するものだったのだ。この出会いがきっかけとなり、Acornのチップ部門はAppleやVLSI Technology社との合弁事業として独立し、現在のARM Limitedへと発展していくことになる。

ARMの誕生は、既存の技術の限界を認識し、ゼロベースで最適な解決策を追求した結果である。複雑さを排し、シンプルさと効率性を徹底的に追求したRISCアーキテクチャの採用は、当時の技術的課題に対する画期的な解答だった。これにより、今日私たちが当たり前に使っているスマートフォンやタブレットのような、高性能でありながら電池で長時間動作するデバイスの実現を可能にする基盤が築かれたのだ。ARMの物語は、技術革新がいかにして私たちの生活を豊かにしてきたかを示す、重要な一例と言える。