AI半導体に活かす64-bitプロセッサ技術のポイント

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AI半導体に活かす64-bitプロセッサ技術のポイント.md 2026-01-27 1 / 13 AI半導体に活かす64-bitプロセッサ技術のポイント MIPS R4600/R4700 詳解〜開発・事業化⼿法の活⽤と⾼収益化への道筋－設計者からの64-bit CPU解説︓競争⼒のある最先端プロセッサ製品開発のために－

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AI半導体に活かす64-bitプロセッサ技術のポイント.md 2026-01-27 2 / 13 第１章プロセッサ開発の背景 1.1 はじめに現在、多くのAIアクセラレータ等の最先端のAIプロセッサ製品の開発が各社で進められています。しかし、国内のAIプロセッサの開発ではなかなか競争⼒ある製品が作り上げられず、世界の最先端への道に性能向上の壁ができてしまっています。その原因の⼀つに、AIアクセラレータの⾼速化に必須となる、AIアクセラレータの制御を⾏う競争⼒ある64-bit プロセッサの開発の難易度が⾼いことがあげられます。特に昨今の設計・実装が⾃動化された設計フローでは、⾼速化を強く指向する競争⼒の⾼い64-bit プロセッサ設計に柔軟に追従できなくなっています。 64-bit プロセッサは近年、サーバーやPC向けだけでなく、スマートフォンやハイエンドの電⼦機器にも必須のIPとなってきており、10兆円を超えるような市場規模となっています。その64-bit プロセッサの⼤部分が RISCアーキテクチャに基づくもので、そのRISCの誕⽣をリードしてきた主要なアーキテクチャの⼀つがMIPS でした。そのRISC構造は、現在はRISC-VやARM等の64-bit プロセッサに引き継がれ、これらRISCプロセッサの組込が特にAI⽤途のプロセッサやスマートフォン向けのアプリケーションプロセッサではデファクトとなっています。筆者は1991年に世界で初めて⽣まれた単体の64-bit 商⽤マイクロプロセッサである1991年の MIPS R4000の誕⽣後の黎明期の歩みに半導体メーカー側から携わって来ました。しかし、それから35年経った現在でも、海外でも64-bit プロセッサを開発できる企業はかなり限られ、競争⼒の⾼いプロセッサ製品はごく⼀部の会社しか出せていません。国内でも近年はAI向けなどに64-bit プロセッサを開発しようとする会社はいくつもありましたが、難易度が⾼く、なかなか競争⼒ある製品にまで⾄らない状況にあり、現在製品化できているのは特殊⽤途向け以外ほぼ無くなってしまった感があります。しかし、それは64-bit プロセッサ誕⽣直後から利⽤されてきた競争⼒ある64-bit プロセッサ設計技術を今⼀度積み上げなおすことで、⼀気に有⼒なプロセッサ製品のメジャーサプライヤーになれる良い機会でもあります。そこで、64-bit プロセッサ開発の原点に⽴ち戻り、この64-bit プロセッサ誕⽣時の特徴・課題や各社の開発とその後の事業展開を振り返って、現在でも継続して追い求め続けなければならない競争⼒ある64-bit プロセッサを開発するための製品化⼿法を考察していきたいと思います。特に難易度が⾼いと思われる、通常の電⼦機器に搭載する組込向けに使⽤可能な、⾼性能でありながら⽐較的低コストで低消費電⼒の64-bit プロセッサの技術の解説をすることが、より64-bit プロセッサの製品化への技術障壁を少しでも下げてビジネスを広げるのに役⽴つのではないかと考えます。そして、当時世界最先端の技術でもあった64-bit プロセッサ開発での知⾒は、同じ半導体LSI開発である以上、近年でのプロセッサ開発と同様に、昨今の最先端のAIアクセラレーター開発でアーキテクチャや内部構成の検討を進める際の⼤きな推進⼒にもなると思います。世界トップの性能を⽬指す低消費電⼒で低コストな技術推進の⼿法の根幹は今も昔も変わるものではありません。AIハードウェア開発の関係者の⽅々にも時代を先取りした事例として、性能に決定的な影響を与える半導体の適切な扱い⽅を振り返り、競争⼒ある最先端製品開拓の可能性を検討する⼀助としていただければ幸いです。 1.2 ⾼性能化需要による64-bit プロセッサの誕⽣ 1990年代当時でも、当時C⾔語以降の多くのプログラミング⾔語ですでに32-bitのデータ⻑が必要となっており、それらを頻繁に使⽤するワークステーションやパソコンでは32-bit プロセッサが使⽤されていました。しかし、性能に対する要求が⾼まるにつれ、特にワークステーション向けで⾼性能な処理需要が主にビジネス・科学⽤途で拡⼤し、32-bit プロセッサでは数値の桁数として、あるいはプログラムサイズとして、32-bit で表される232=4ギガという値だけでは⾜りない場⾯が出てくるようになりました。特に仮想空間のサポー

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AI半導体に活かす64-bitプロセッサ技術のポイント.md 2026-01-27 3 / 13 トにより必要な仮想アドレスが⼀気に増⼤し、32-bitでは不⾜するケースが頻発するようになってきました。その点、64-bit プロセッサは64-bit データを扱うことができる上にアドレス空間も32-bit(=4Gバイト)を超えるメモリ空間を実装するケースが多く、仮想空間を扱うのに適していました。64-bit プロセッサでは扱うデータも演算も64-bitのため、効率的なハードウェア処理が可能で、⾼速に演算することができます。例えば、64-bit プロセッサでの64-bit加算演算は32-bit プロセッサに対して演算処理速度が3倍程度になります。また、特に100Mbps以上の通信時にネットワーク機器でのIPヘッダ部分のフォーマット処理では⾼速の処理が要求され、64-bit プロセッサが必須となってきました。当時はまだパケット処理⽤の専⽤LSIを開発しても 100MHz以上の動作周波数での動作は困難で、⾼速動作する64-bit プロセッサが必要でした。さらに、画像処理についても、3Dグラフィック処理や、カラーレーザープリンタのデータ⽣成、ゲーム向けの画像処理などで64-bit プロセッサが必要となってきました。特にpostscript3対応のカラーレーザープリンタでは、推奨されるプロセッサも64-bitを中⼼に⾼性能で量産性のある製品に限られました。これら3つの処理は、1990年代から2000年頃までの64-bit プロセッサが必要とされる⼤きな要因となっていました。このような状況で 1991年に世界で初めて64-bit 商⽤プロセッサとして100MHzのMIPS R4000が開発されました。PC向けCPUの動作周波数はせいぜい33MHzが主流だった頃に、初めて100MHz動作を達成したインパクトは⼤きいものでした。 1.3 黎明期の64-bit プロセッサのカテゴリー黎明期の64-bit プロセッサをハイエンド・ミドルレンジ・ローエンドに分類すると、各領域での特徴が⾒えてきます。ハイエンドの⽤途は当時のスーパーミニコンやハイエンドのワークステーション等となり、製品の数量も限定されるので本資料では割愛します。また、ローエンドのエントリークラスの⽐較的性能を抑えた64-bit プロセッサは主にMIPS系で開発され、UNIXやWindows NT系等の当時の既存ハイエンドOS等への搭載は考慮せず、それらを必須としないWindows CE等のOSや独⾃のRTOSやシステムプログラムなどの軽いOS を搭載した端末機器⽤途を想定したカテゴリとして存在しました。主に、いくつかの端末機器向けや Nintendo64やPS2等のゲーム機向けに供給されましたが、同等以下の価格帯に多数の32-bit プロセッサ製品が存在する上に、より差別化が図れるハイエンドOSもほとんど使われないため、より低コストな32-bit プロセッサを⼤部分置き換えるほどの競争⼒を持つのは難しく、64-bit プロセッサが必須となる⼀部⽤途での製品展開に留まりました。その⼀⽅で、もう⼀つハイエンドOSの搭載を前提としながらもワークステーションやサーバー向けよりもコストを抑えた⾔わばミドルレンジとも⾔うべき64-bit プロセッサがあります。これが本書が対象とする R4600/R4700/R5000等の製品群となります。R4600/R4700はIDT/NKKから、R5000はこの2社に加えNEC・東芝が供給元となりました。このカテゴリが⽣まれたのは、ハイエンドのOSが搭載できる64-bit プロセッサはいずれもワークステーション等に搭載される⾼価で消費電⼒も⼤きいプロセッサだけだったからです。それらに⽐べるとハイエンドOSを搭載しながらも価格も消費電⼒も1/2〜1/5程度以下で済むプロセッサの需要は、下位のワークステーション向けやネットワーク機器、レーザプリンタの画像処理⽤途を中⼼に1995年以降⼀気に増えていきました。このミドルレンジの64-bit プロセッサの量産状況を図 1.3に⽰します。この領域は参⼊できる製品が限られるため、製造プロセスも明記して、より細かい状況がわかるようにして表記しました。MIPS 64-bit プロセッサの動作周波数としては、ハイエンドのプロセッサと同等程度の動作周波数を維持しつつ、⽐較的性能向上効果が⼩さい割に⾼コストだったり消費電⼒が多くなる機能を省略することで、コストパフォーマンス的にはかなり⾼いカテゴリーとなっています。

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AI半導体に活かす64-bitプロセッサ技術のポイント.md 2026-01-27 4 / 13 図 1.3 黎明期のミドルレンジ 64-bit プロセッサ量産状況 1.4 プロセス微細化で先⾏されても設計改善で挽回できる技術改善 64-bit プロセッサの製造プロセスはどのプロセスノードだったのかを振り返って考えると、前節の図表を⾒てもわかるかと思いますが、当時は0.8um〜0.25umプロセスを使⽤していました。現在の先端プロセスとなる2nm前後の世代よりもはるかに昔の古いプロセスですが、そんなプロセスでも100MHz〜数百MHz程度の動作周波数は叩き出せています。現在のプロセッサの動作周波数が2GHz〜5GHz程度であることを考えると、製造プロセスの微細度が2桁以上も違う割には、プロセッサの動作速度の差がありません。当時の設計は現在と⽐較しても⾼速化に向けた技術⼒や技術的達成レベルが⾼かったことがうかがえます。それは、まず当時はまだ集積度が低いFabプロセスしか存在せず、現在よりも遥かに厳しいゲート規模の制約の中で設計を⾏う必要があったため、⼩規模の構成でプロセッサ実装する必要があったことがありました。その結果、構成が簡単になるため、逆に⾼速化を実現するハードルを下げる役割を果たし、むしろ⾼速なプロセッサを実現しやすかったはずです。また、現在は、設計⾃体でも設計検証でも多数の設計・検証ツールが提供されていますが、当時は⼤部分設計者が⾃前で⼿作りしたり、低機能なツールを何とか使いこなしたりして、設計環境を整備する対応⼒を持っていました。また、まだ集積度が低いため、プロセッサを開発しようとすると、IP化だけでは済まずにチップ設計まで⾏うことになり、設計範囲がチップ全体に及ぶケースがほとんどでした。したがって、設計者もチップ全体の特性や機能・最適化を強く意識しながら開発していく必要があり、全体最適を意識して部分最適に陥りにくい環境で開発を⾏っていたこともプラス要因となりました。当時はまだシステムLSIとしてオンチップの組込SRAMをラインナップする半導体メーカーさえほとんどなかった状況でした。SRAMの組込や、PLLの組込などひとつひとつのモジュールの組込に対してゼロベースでの検討が必要なことも多く、⾼度な新規開発であったと⾔えます。そのため、開発できなかった会社も多く、逆に組込に成功した会社は技術的に⼤きなアドバンテージを得られました。黎明期というものは、何をどう開発していくのが正解かもよくわからないままに各社開発に邁進していきます。現在のAIチップやCPU、 GPU、NPUの開発でどのような性能・機能のものをどのように開発していくのかを各半導体ベンダーが頭を悩ませながら検討しているのと同じで、現在にも⽰唆するものが多く、当時の技術状況をレビューすることは最先端の半導体開発にも有⽤なのです。

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AI半導体に活かす64-bitプロセッサ技術のポイント.md 2026-01-27 5 / 13 1.5 当時のミドルレンジのMIPS 64-bit プロセッサ製品化状況 MIPS社はR4000を発表して以降、ハイエンドの画像処理向けのR8000やスーパースカラ構成のR10000をワークステーションやサーバー向けに発表するなど、1990年代にはハイエンドのプロセッサを主に開発しており、ミドルレンジのプロセッサはR4000の基本グレードのR4000PC以降、⾃社ではほとんど開発していませんでした。そのため、ミドルレンジ・ローエンドのプロセッサ開発は、MIPS社以外のMIPSプロセッサの開発会社と契約した複数の半導体メーカーが各Fab向けに調整して製造し、さらに必要に応じ各社独⾃にプロセッサも開発して製造していました。製造⾃体は、MIPS 64-bit プロセッサの黎明期である当時は事実上、半導体メーカーの⽶国IDT社、NEC、東芝、NKKの4社が担っていて、NKKが唯⼀新規参⼊のメーカーとして製品出荷を⾏っていました。しかし、競争⼒あるミドルレンジの組込向けプロセッサはMIPSプロセッサ開発会社の QED社が設計したR4600/R4700以外に1998年頃まで現れていません。半導体各社独⾃でもローエンドの低価格版のプロセッサを中⼼に開発していましたが、MMU仕様に互換性が無いものが多く、MMUを必要とする仮想空間前提の当時のUNIX等のハイエンドOSがしばらく搭載できなかったためです。QED社のライセンスを受けR4600/R4700を製品化したのはIDT社とNKKだけでしたので、この2社だけがミドルレンジの供給元となりました。その後MIPS社がQED社に設計・実装を依頼したR5000のライセンスをNECと共に受け、各社で開発が進みました。 NKKでは図 1.5 に⽰すように、R4700は整数演算重視、R5000は浮動⼩数点演算重視のプロセッサとしてカテゴライズされ、製品開発をしていきました。使⽤するFabプロセスは競合他社より若⼲遅れていましたが、当時の最先端プロセッサ設計技術を保持する⽶国の最新の64-bit プロセッサ設計を詳細に分析し、⾃社Fabの特性に合わせて最適化する⽅針で開発を進めました。例えば、⽶国から導⼊した設計に対して製造時に最も⾼い特性が得られるプロセッサ全体のタイミング特性の把握や、クリティカルパスの精密な管理を積極的に進めた上で、設計・実装やFab特性を⼤幅改良することにより、プロセッサの動作周波数としてはFabプロセスのハンディを⼗分帳消しにして他社より速い動作周波数で安定して製造できるだけの設計技術⼒を蓄積していきました。幸い、R4000のMMU構成を維持したR4600/R4700は、R4000とのソフトウェア互換性が⾼く、ハイエンドOSを搭載可能な最も低コストなプロセッサとして、しばらくミドルレンジのMIPS 64-bit プロセッサ市場を席捲できる時期が続きました。そこで、その量産化技術の競争⼒向上と、事業規模が⼩さい分、機動⼒が⾼いことを利⽤し、量産⼤規模な量産となる家庭ゲーム機向けや、性能第⼀のワークステーション・サーバー向け等のリスクは抱え込まず、NKKにとって最も競争⼒強化の効果が⾼い開発を優先して⾏いました。結果的に、MIPSプロセッサとしてのソフトウェア互換性を⼗分に維持した上で、ニッチでも他社より技術的に優位な製品化を進め、収益を確保していきました。図 1.5 NKKの 64-bit プロセッサ展開戦略

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AI半導体に活かす64-bitプロセッサ技術のポイント.md 2026-01-27 6 / 13 ⼀⽅、IDT社はMIPS 64-bit プロセッサ製品を唯⼀⽶国で製造していた中堅の半導体メーカーで、MIPS社や QED社が開発したMIPS 64-bit プロセッサはIDT社での試作を考慮しており、製造プロセス改善をする期間を設けずに早期に製品化する⽴場で、NKKとは戦略が異なり、同⼀製品を製造しながらもあまり直接競合せずに共存していました。このように、各社が異なる製品展開⼿法を取ることで各社ごとに強い領域を作り、特にハイエンドの組込向けで当時のメジャーなアーキテクチャのひとつとして確⽴されていきました。第２章 64-bit プロセッサ開発のポイント 2.1 64-bit プロセッサビジネスの注意点 64-bit プロセッサをビジネス的に成功させるには、前述のような需要の存在以外に、技術的に達成しなければならない問題が多数あります。前章でもそのような課題の例を指摘してきましたが、さらに詳しく64-bit プロセッサをビジネス化するために障壁となる固有の問題を⾒ていきたいと思います。 2.1.1 64-bit プロセッサ特有の問題と競争⼒ 64-bit プロセッサの問題としては、例えば64-bit プロセッサ実装には64-bit 加算器が必要ですが、各桁ごとに遅延が発⽣するため、必ず32-bit 加算器よりも遅くなります。そのため実際に実チップ上で⾼速化するためには、回路設計以上にもっと動作周波数に影響のあるデバイス・実装技術での改善が必須となり、設計側でプロセス特性に合わせる技術も⾮常に重要となります。そのため、競争⼒ある64-bit プロセッサの製品開発には、半導体製造・設計・実装技術とそれらの⾼速化技術の総合⼒が求められます。それによりどこまで⾼性能な64-bit プロセッサが製品化できるかが決まってくるわけで、⾮常に厳しい技術の実⼒の世界となります。現在、64-bit プロセッサの性能だけで⾔うと、おそらくIntelやAMDのサーバーやワークステーション向けのプロセッサが最も⾼性能だということになるかもしれません。実際、5〜6GHz以上で動作する64-bit プロセッサはこの2社が独占しているような状況ですが、それは、彼らがメインのターゲットとしているかなりの⾼コストでも許容され、消費電⼒が⼤きくても許される性能優先の世界での話になります。その世界で必要なすべての技術を⾼いレベルで揃えて製品化しているこの2社の実⼒で持たせているのですが、これがもっと低コスト化が必要だったり低消費電⼒化が求められる世界の場合や、AI向け等の⼤規模なデータを取り扱う場合は、この2社の64-bit プロセッサが独占的な競争⼒を持つかというと、そうではありません。例えば、スマートフォン向けのアプリケーションプロセッサや、AI処理向けのNPUに搭載される64-bit プロセッサには類似するGPU含め他の製品が求められ、使⽤されることになる訳で、ARMだったり、RISC-Vなど他のアーキテクチャのプロセッサ製品が求められたり、NVIDIAのGPUが適合したりするわけです。 2.1.2 各⽤途ごとの64-bit プロセッサの特性そこで、⽤途ごとに64-bit プロセッサ開発の観点でどのような製品を開発すればよいのかを考えてみます。まず、サーバーやワークステーションなどハイエンドのPCやデータセンター向けのプロセッサは消費電⼒も 100Wを⼤きく超えるようなもので性能・機能優先となり、コストや電⼒の制約は⼩さく、採⽤されるプロセッサアーキテクチャの⽅向性もまずは性能・機能優先となります。また、電⼒が性能を抑える⼀要因となり、電⼒消費による放熱対策が重要となり、プロセッサ⾃体も放熱対策⾃体もコストがかかるため、ハイエンドとは⾔えコスト的な限界もある電⼦機器への組込⽤途としては使えない重装備の仕様となることが多いです。その下の100W以下のプロセッサの電⼒と動作周波数のクラスでも15Wを超える領域はデスクトップの PCやNote PCが主なターゲットになってきますが、基本的に空冷の冷却装置が必要です。この領域も、まだコストや消費電⼒に対して性能重視の割合が⾼く、コストがある程度⾼くなっても、また消費電⼒が多くな

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AI半導体に活かす64-bitプロセッサ技術のポイント.md 2026-01-27 7 / 13 っても性能を⾼める⽅向でプロセッサが開発されます。逆に⾔うと、さらにコスト的に制約があったり省電⼒化を求められる場合は、ここまで出てきたプロセッサ群は競争⼒がない⽤途となってきます。次に、⽐較的消費電⼒が⼩さい15W以下の電⼒での64-bit プロセッサの性能と電⼒、コストについてみていきます。15W以下となると、電⼒的な制約が性能⾯に影響する割合も⼤きくなってきます。⾼速ではあるがリーク等も⼤きいFabプロセスは使⽤できなくなりますし、速度重視で回路⾯積が⼤きくなる回路⽅式は実装規模が⼤きくなることが電⼒増⼤の要因となり、場合により⾯積増によるコスト増加からも採⽤が難しくなります。プロセッサ⾃体の並列処理や投機実⾏ブロックも電⼒を消費する要因となるので実装できないケースが増えて来ます。図 2.1 に⽰すように、このクラスのCPUではモバイルPCの下位機種や、モバイル機器に使⽤するアプリケーションプロセッサの⾼性能プロセッサ部分に使⽤されるものが、消費電⼒的にも動作周波数的にも上位の領域に位置しています。そして、この図の中位から下位にかけてハイエンドの電⼦機器に搭載される組み込み向けプロセッサが登場します。この部分で、特に性能を要求される分野が数量が⽐較的多く、付加価値の⾼いプロセッサとしてビジネスになりやすいカテゴリーとなっていました。このように、カテゴリーを⾒極めてその分野で必要な技術にじっくりと取り組んで最⼤限⾼めることで、競争⼒あるプロセッサ製品をビジネスに載せる必要性があることが分かります。このような観点でのビジネスを⾒ながらの技術検討についてより詳細に取り上げていきたいと考えています。図 2.1 15W以下の各64-bit プロセッサの周波数ー電⼒特性 2.1.3 本書で扱う64-bit プロセッサの範囲ここまで、64-bit プロセッサのカテゴリーと性能について分類してきましたが、その中でも構造が⽐較的簡単で低消費電⼒の 64-bit プロセッサ製品については、主に海外のプロセッサ設計会社が得意なワークステーション・サーバー向けあるいはモバイルのアプリケーション・プロセッサ向けに製品化が集中してしまい、需要は存在するにもかかわらず近年あまり扱われていない状況にあります。現在、このような組込向けを想定できるレベルの64-bit プロセッサを⼀から開発できる半導体メーカーは国内ほぼ皆無な状況で、世界でも限られており、新たに参⼊するための障壁も⼤きくなっています。特に近年、競争⼒ある64-bit プロセッサを開発するための技術が失われつつあるにも関わらず、競争⼒の⾼い64-bit プロセッサ開発のための教科書や参考書のような資料も存在しないのが実情です。取得できる情報もかなり偏ったものになって、これだけ

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AI半導体に活かす64-bitプロセッサ技術のポイント.md 2026-01-27 8 / 13 では64-bit プロセッサ全般の技術的判断は難しいと考えます。内容的にはかなり技術的に突っ込んだ内容となりますので、その知識も補いつつ、どのような⽤途が考えられるのかを考えていく必要があります。そのために本書がそのプロセッサ開発成功へのステップを少しでも低くする役に⽴てばと思い微⼒ながら執筆させていただくことにしました。 2.2 64-bit プロセッサ開発で技術的に必要な観点 64-bit プロセッサを開発する場合に、32-bit プロセッサと同様の開発の仕⽅では難しい点を少し指摘してきましたが、具体的な⼀つ⼀つの課題を挙げる前に、まず技術領域的に64-bit プロセッサで重視すべき範囲を説明していきたいと思います。まず、64-bit プロセッサを開発する場合、32-bit プロセッサが開発できたからと⾔って64-bit プロセッサをそのままの⼿法で⾏おうとすると数々の課題にぶつかることになります。まず普通に上流モデルを作っても論理合成で回路図やネットリストを⽣成すると、速度が低下してターゲット周波数を達成できません。また、速度を少しでも上げるために回路の並列度を上げることにすると、今度は回路規模が⼤きくなり、電⼒も⼤きくなります。このまま実装して⾏っても、特性の良い64-bit プロセッサは結局実現できない状況に陥ります。いずれにしても、32-bit プロセッサの設計・実装時の通常の設計⼿法では実現できず、もっと技術的に広範囲に改善していく⼿法を⽤意する必要があります。 2.3 ビジネス上の観点ここまで、技術的に必要な対応の例を述べてきましたが、さらに開発されたプロセッサをビジネス上扱える製品とするために必要な対応があります。64-bit プロセッサに限らず、マイクロプロセッサはソフトウェアが動いて初めて機能することになるので、開発したプロセッサが⾼級⾔語のコンパイルができる環境を利⽤できるか、またそのプロセッサに搭載するOSが動くためのシステムレベルのサポートができるかが重要となります。そのため、開発するプロセッサの仕様が確定するまでに、システム的に、またソフトウェア的に妥当な仕様であることを確認できているか、検証をする必要があります。さらにその上に、プロセッサの性能評価結果を設計環境上で⾒積もり、試作したプロセッサを載せた評価ボード上で実チップとしての評価結果を出すなど、開発したプロセッサがどのような性能を発揮できるかを提⽰できるようにしておかなければなりません。また、LSIに搭載されるIPとして提供する場合は、IPとして保証する仕様を実測ベースで確定させておく必要もあります。ここまで準備してやっとビジネスに結び付けることができるわけで、ロジック回路としては丁寧な対応が必要な部類となるかと思います。ここまで、64-bit プロセッサ開発で必要となる要件を述べてきましたが、本資料ではMIPS R4700をベースに現在の64-bit プロセッサの状況を⽐較しながら、筆者が経験した実際のプロセッサ開発での出来事を振り返りながら、どのような観点で開発していくと競争⼒あるプロセッサになっていくのか、またその時AI向けを含め半導体として重要なポイントがどこにあるのかを探っていきたいと思います。第３章 NR4600/NR4700製品化への道 NKKは1990年代半ばに世界的にも前例の少なかったMIPS 64-bit プロセッサを製品化し、150MHz以上の⾼速品のミドルレンジ市場向けへ安定した量産・事業化を達成しました。その⼤きな要因としては、アーキテクチャ導⼊だけでなく、SPICEモデル改善まで踏み込んだ回路設計環境とFab特性を⼀体として最適化する設計・製造の協調開発のアプローチがありました。本章では、その製品化を通じてNKKが、近年分業が進み⾒落とされがちなプロセスと回路の特性合わせ込みによりどのように性能・歩留まり・コストを改善し、64- bit プロセッサ事業を⽴ち上げたかを簡単に紹介します。 R4600/R4700は⽶国QED社との共同開発でNKKが⽶国IDT社と共にライセンスを受けて製品化したMIPS R4000/R4400と同じMIPS III アーキテクチャ準拠のMIPS 64-bit プロセッサです。R4600はNKKと⽶国IDT社、

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AI半導体に活かす64-bitプロセッサ技術のポイント.md 2026-01-27 9 / 13 東芝の3社が契約していましたが、実際に製品出荷したのは主にIDT社でした。NKKではR4600のNKK製品であるNR4600を1993年に設計FIXし、1994年の初頭から試作が始まりました。また、後継の⾼速化改良版として NKK製R4700のNR4700は1994年に設計FIXし1995年に試作開始して、1996年初頭から量産出荷が始まりました。これらのプロセッサはMIPSアーキテクチャに準拠するプロセッサだったので、MIPS社とのライセンスが必要でしたが、この3社はいずれもMIPS社のライセンスを受けている会社で、MIPSプロセッサを供給できるメーカーでした。当時、初めて64-bit プロセッサを製品化することになったNKKでは新規事業ということもあり、量産化には多くの課題の解決が必要でしたが、技術導⼊内容の把握と共に技術導⼊された技術を利⽤してどう量産化し、収益化していくかが最⼤の問題となっていました。64-bit プロセッサ製品としては、ローエンドやミドルレンジの64-bit プロセッサは1990年代はほとんどMIPSアーキテクチャが占める状況にあり、中でもミドルレンジの供給元は⾮常に限られる状況にありました。そのため、新規参⼊であったNKKは、ローエンドも検討しながらまずこのミドルレンジ領域をカバーする製品化を進めて市場参⼊を⽬指していきました。そのために、64-bit プロセッサ向けの設計環境として必要な要件を考慮しつつ64-bit プロセッサの将来的な独⾃設計に向けて準備を徐々に始めていきました。現在となっては当たり前の技術もありますが、当時は世界でも初めてミドルレンジの64-bit プロセッサを収益を確保しながら製品化する過程にあって、世界でも誰も解を知らない中で正解を探すことが必要だったことで先駆者のうちの⼀社ととして製品化を進めていきました。競合していた各社も正解を探して先駆者として活動していたわけで、その中で国内メーカーや国内ユーザーも⼤きな存在感を⽰し、世界をリードしていたことにも留意していただければと思います。そのため、この 64-bit プロセッサの開発や事業展開の道筋をご紹介することで、現在の半導体開発を先導している⽅々にも参考になるのではないかと考えています。そんなこともわかっていなかったのかとか、逆に何もわからないでよく正解にたどり着いたな、とかいろいろと感想をお持ちになるかと思いますが、今後の最先端開発に向けての参考資料として、当時の奮闘していった軌跡を記していきたいと思います。 3.1 回路設計環境とFab特性の改善まず動作周波数が重要なプロセッサの場合、回路設計環境での最⼤の課題は設計値と実測との乖離です。⼀般的なFab提供のSPICEモデルをベースとした設計環境では誤差が⼤きく⼿戻りや実チップでの速度未達のリスクがありました。そこでNKKでは通常のFab提供のSPICEモデルを実測をベースに調整して精度改善を⾏い、設計時のタイミング精度としては製造ばらつき範囲以内に収まる5%程になりました。この⾼い精度の設計環境が1994年段階ですでに使⽤可能となっていたことで、NKKでの歩留まり改善や速度改善で⼤きな⼒を発揮しました。これらの設計環境を元に、その後の64-bit プロセッサ事業の展開が⾒通せるようになっていきました。さらに、実測と合致しても、実⼒値がFabが設計値として想定した速度を⼤幅に下回っていた点をFab側にフィードバックし、必要に応じてFab側と協⼒してFabプロセスの改善も進めていきました。その結果NKKのロジックプロセスの動作周波数が⼀気に改善し、QED社の想定以上の速度を実現できました。今では、少なくともある程度はロジックプロセスを持つFabでは当たり前のように確認されているかと思いますが、1994年時点でFabプロセスの主要指標として取り⼊れる⼿法を確⽴したのは当時としては画期的でした。結果として 150MHz以上の動作を確実にし、また歩留の⼤幅改善と市場投⼊のリードタイム短縮に成功したことで、⾼性能と安定供給を両⽴できるようになりました。 3.2 NR4600/NR4700の回路特性改善さらにロジックとCACHE SRAMメモリセルのNMOSトランジスタのゲート⻑の調整など未経験分野の開発にも設計側からも積極的に協⼒し、0.6umと当時でも⽐較的集積度の低いプロセスで製造したにも関わらず、結果として5段パイプラインで150MHz動作する64-bit プロセッサを量産できる世界で唯⼀の半導体メーカと

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AI半導体に活かす64-bitプロセッサ技術のポイント.md 2026-01-27 10 / 13 なりました。その結果、NKKは150MHz動作する64-bit プロセッサを他社よりも安価に量産供給できることになり、収益を確保しながら製品供給先を増やせるようになりました。このようにして、NKKは他社より遅れてスタートしても量産化技術の向上で低コストで⾼品質の製品供給が可能となり、64-bit プロセッサ事業がビジネスとして⽴ち上がり始めました。ここまで、NKKがNR4700量産開始に向けて技術的に改善してきた道のりを書いてきましたが、当時どのように設計改善すればよいのか、どのようにプロセス改善すればよいのか、などを記述している教科書のようなものは世界最先端なので当然ありません。その中で開発⼿法を探っていくので、どの会社も真剣に検討していますし、正解が分かるのは後になってからです。他社にしてもビジネス的に成功した部分がNKKと違う場⾯である訳で、どの会社が良くてどの会社が悪いのかはその時点では分からないものですし、どの会社にも良い対応ができた部分とできなかった部分があります。その中で競争を繰り広げていく醍醐味が世界最先端の世界ではある、ということだけは⾔えるでしょう。 3.3 NKK 64-bit プロセッサ事業の収益強化⼿法 NR4600/NR4700の開発が順調に進んだため他の製品開発も合流する形で、1997年には64-bit プロセッサ全体の開発を⼀体で進める体制となりました。量産対応が⼀元管理できたことで、NKKの全MIPS 64-bit プロセッサのクリティカルパスを正確に管理し試作時の動作周波数も予測可能となりました。当時のNKKのロジックプロセスの導⼊は他社よりも若⼲遅れていましたが、それでも64-bit プロセッサの動作周波数が他社よりも優位であったのは、設計側でFabプロセスの特性を可能な限り製品に反映させて、正確なタイミング設計を実現したことと、プロセス的な改善やプロセスで決まる回路特性へのフィードバックも⾏い、他社に対して⼤きく差別化できたことが決定的でした。NKKの設計では製造プロセスの特性を最⼤限引き出す設計にする努⼒を、ロジック設計の花形であるプロセッサアーキテクチャからの改善に優先して率先して⾏っており、その蓄積が1997年頃から⼀気に成果として出せるようになりました。このような、設計側で製造プロセスに徹底的に合わせこむアプローチを重視した会社は当時のMIPS系プロセッサのベンダーでは他には⾒られず、他社と⽐較しても1〜2世代前のプロセスでも⼗分勝負できる64-bit プロセッサの製品化がタイムリーに可能となった、と⾔えます。図 3.3 に5段パイプラインのR4000系プロセッサの動作周波数を⽐較してあります。もしプロセスの特性を徹底的に活かす開発を⾏っていなければ、このような0.35umプロセスで製造された他社のプロセッサがNKK製の0.6umプロセスで出荷されたプロセッサよりも動作周波数が遅い、というような逆転現象は簡単には起きないはずです。各社とも通常のCMOSロジックプロセスでFabの性能に⼤差はないはずですが、プロセスの実⼒を最⼤限に引き出す設計改善技術がこの逆転現象を⽣み出したと⾔えると思います。

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AI半導体に活かす64-bitプロセッサ技術のポイント.md 2026-01-27 11 / 13 図 3.3 各社5段パイプラインMIPS R4000系プロセッサの製造プロセスと周波数 1997年になると、NKKではNR4700をプロセスドライバーとして0.35umロジックプロセスの⽴ち上げを始め、動作周波数も200MHz品が過半数となる⾒込みが⽴ち、実際に1998年の春には予想通り⼤多数が200MHz 品となることが実測確認でき、量産化準備を進めました。また、R5000も0.35umプロセスで全数が200MHz 動作する⾒込みが⽴ち、200MHz動作品のみで量産可能な準備を進めていました。実際にNKKで0.35umプロセスでの量産を⾏ったのはNR4650/NR4645 180MHz品となりました。主にアーケードゲーム機向けに量産されましたが、ローエンドのMIPS 64-bit プロセッサの中では当時の他社の167MHz品を超えて、最⾼速の製品を量産できました。NKK製品は最後まで、競合他社に対して同⼀プロセスで30%〜50%動作周波数が⾼い製品供給が可能で、製造プロセス特性に合わせた差異化技術が確⽴されているのが実証できました。このように着々と開発を進め、64-bit プロセッサのビジネス上の勝ち筋を技術的に押さえて実現していったことで、NKKの64-bit プロセッサ製品の売り上げも利益も伸びていきました。NKK本体の事情で製造拠点を 1998年度で閉鎖することになり、NKKの64-bit プロセッサ製品も撤退することになりましたが、国内の新規参⼊メーカーでもIntel等を含む世界トップクラスのプロセッサメーカーと技術的に互⾓以上に渡り合えることを実証できました。プロセス特性に合わせて極限まで性能を引き出す設計技術が、その後の半導体開発の現場に受け継ぐことができる技術基盤となることを⽰せたのは⼤きな成果でした。 3.4 NKKの電⼦デバイス事業での 64-bit プロセッサ開発 NKKの電⼦デバイス事業で本格的に64-bit プロセッサを開発したのは、1993年後半以降の5年間だけです。その中でも、⾃らの成果が事業の成否に関わるので、常に世界トップを⾛ることを⽬指すこと、また常に収益改善を考えること、の2つを⽇々考えて開発する必要がありました。しかし、その結果NKKの64-bit プロセッサ事業はかなり短期間で、中堅半導体メーカーである⽶国IDT社のマイクロプロセッサ事業の規模と同等レベルの規模まで拡⼤できました。また、⼀旦売り上げが⽴ち始めると毎年、年率三桁%の成⻑率で成⻑していくこともできていました。図 3.4 にNKKの1990年代後半の⼯場閉鎖発表までの売上⾼の推定値を⽰します。なにぶん30年近く前の話で正確な資料がないため、設計側で実際に顧客に出荷したことを確認できる時期と推計値を合わせて筆者がまとめた売上⾼推移のイメージをグラフ化してあります。最初の出荷は1996年初頭ですが、そこから綾瀬研究所閉鎖発表時期の1998年4-6⽉期に四半期売上⾼が6億円を超えた時期までほぼ⼀