Atomとは (アトムとは) [単語記事]

Atomとは、以下を表す。アトムの記事も参照。

Intel（インテル）が携帯型インターネット機器(Mobile Internet Device：MID)および超低価格PC(Ultra Low-cost PC)向けに新規設計したCPU
ウェブ上の各種コンテンツを配信するためのXML文書フォーマット及びコンテンツの編集を行なうための通信プロトコルなど幾つかの仕様群の総称。一般にはRSSと同様、weblogなどの更新通知フォーマットとして認識されている。
→RSSとは#Atom Syndication Format
「ATOM」 - ラーメンズの第12回公演。詳細は当該記事。
Atoms - ヘブンズPの初音ミクオリジナル曲。→初音ミク　オリジナル曲　『 Atoms 』

ここでは１の意で説明する。

概要

Intel Core 2 Duoの命令セットと互換性がある
Hyper-Threadingの採用により2スレッドに対応(一部製品ではさらにデュアルコア化して4スレッド対応)
LPIA（Low Power on Intel Architecture）と呼ばれる低消費電力アーキテクチャに基づく
秒当たりの処理速度では初期のPentium4と同等(=一部処理以外は現在のCeleronにも劣る)。しかし、消費電力当たりの処理効率では格段に上である
EeePCなどのいわゆるNetbook･Nettopの他、家庭用などの小型サーバー、セットトップボックスなどに利用されることを想定して設計されている。後継モデルではさらに省電力化し、スマートフォン市場への進出を目指す予定

少し深い話　-なぜAtomは低消費電力と最低限の性能を両立できたのか-

従来のCPUよりも圧倒的に低消費電力かつ省スペースであるにもかかわらず、Pentium4のNorthwoodコアと同程度の処理能力を実現していると言われるAtom。Atomはなぜ、最低限の性能を維持しつつ低消費電力を実現できたのか。

これはPentium4のPrescottコアで行き詰るまで、Intelがシングルスレッド性能だけを追求してきた事が理由である。

まず内部構造について比べてみよう。内部設計で一番大きな違いは従来のCPUがOut of ｏｒｄｅｒであるのに対しAtomはIn-orderであるという点だ。
Out of ｏｒｄｅｒとは簡単に言うと命令の並び順を無視してその時点で出来る命令から先にやっていってしまう設計である。それに対しIn-orderは並べられた命令を順番に実行するもので、先頭の命令がデータ読み出し中などで実行出来ない時は実行できるようになるまで待つ。もっとも、実際にはIn-orderがCPUとして本来の構造でありOut of ｏｒｄｅｒの機能を実現するためには追加回路が必要なのだが。

その代わりといってはなんだがAtomにはHyperThreadingが実装されている。HyperThreadingとは2つのスレッドを同時に流して片方のスレッドの実行が詰まったときの隙間に実行可能ならもう片方を詰め込む機能である。実はこの機能、Northwoodコアでも後期の製品（3.06GHzから）には搭載されているのだが、前述したIn-orderとOut of ｏｒｄｅｒの違いにより隙間の頻度に違いがあるためAtomのほうが効果は高い。

またNorthwoodでは20、Prescottに至っては31もあったステージをAtomでは16まで減らし、分岐予測を強化した。ステージとはCPUの処理を分割する単位で、普通CPUの処理は命令解釈→読み込み→計算→書き込みという4つの段階に分けられるのだがステージはそれを更に細かく分割して流れ作業するのである。そしてその各ステージに命令を詰め込めば例外はあるがピーク性能は高くなるという話。階段の1段に1人立って一斉にザッザッザッと降りていくのを想像すればわかりやすいかもしれなくもない。

ならステージをどこまでも長くすればいいんじゃないかと思うかもしれないが、そうすると前述した「例外」が痛くなってくる。その例外とは、分岐予測ミスである。ステージを採用したCPUの場合、分岐命令が来たら「たぶんこっちだろう」といってとりあえずどっちかの命令を流しておくのだが、予測なのでもちろん外れる場合もある。外れた場合、実行途中だった命令は全て破棄して正しいほうを実行しなければならない。が、ステージが長ければ長いほど正しい分岐の最初の命令が出てくるまでの時間が長くなり、その無駄がバカにならないのである。

そんなわけで、ピーク性能よりも実行効率を重視したAtomはステージを減らして万が一ミスした時のタイムロスを減らしたのだ。もちろんミスしないように分岐予測も強化した。また、ステージを減らせばステージの間で実行途中の状態を記憶しておく回路がいらないのでその分も消費電力とトランジスタ数が削減される。

と、ここまで内部構造的な違いを挙げてきたが、実は凄く簡単に言い表すことができる。
Pen4のPrescottコアまでのIntelは面積を2倍に増やして性能を1.4倍に伸ばす程度の回路にトランジスタを投資してきた。ということは、その投資をやめれば性能は3分の2になるかわりに面積は半分になる。消費電力は面積が広ければ高いのでもちろん削減される。というように今までは「投資」と呼ばれていた「ムダ」を極限までそぎ落としたのがIntelのAtomプロセッサなのである。

最後にインオーダー型のAtomとアウト・オブ・オーダー型のAMD社製Athlonシリーズとを比較した興味深い記事があるのでそれを紹介して終わることにする。
atomはやっぱりインオーダープロセッサだなぁと実感した