プロセッサに省電力が求められている理由

質問

大学のレポート作成で、明確な答えが思いつかずに困っています。

一般的なデスクトップPC用のプロセッサでは、現在では各メーカはプロセッサの開発を省電力の方向に切り替えて、実際に省電力をウリにした製品が増加傾向にあると思います。
サーバや組み込み分野（スマートフォン等）では、発熱や電池容量が大きな問題になるので、この傾向は理解できます。

しかし、一般的なデスクトップPCには、スマートフォンやタブレッドPCほど省電力のニーズはないように感じます。デスクトップPC電池容量も関係ないですし、発熱もそれほど問題ない気がします。
にも関わらず、デスクトップPC用のプロセッサでも省電力をウリにしている理由が分かりません。
電気代が高騰しているためでしょうか？
それとも、単にメーカが販売数を増やしたいからなのでしょうか？
それとも、他に明確な理由があるのでしょうか？

こういった事情に詳しい方がいたら、ご説明または参考になりそうなページを教えていただけると幸いです。

回答No.1

unagi-pie · ベストアンサー

明確な回答じゃないですがいろいろ考えられますよ。

＞一般的なデスクトップPCには、スマートフォンやタブレッドPCほど省電力のニーズはないように感じます。

そう？
PC１台300ワットとか食ってるのが電球１個分60Wにでもなればメリット大きいですよね。
メーカー側も、現状CPUには大型な空冷ファンが要るところ、これがなくなれば
寸法や部品配置の自由度が上がる。ファン削除すれば原価コストも下がる。
電源ユニットの供給電力も減れば小型化もできる。

あと、現状CPUの温度が下げられれば、使用可能な環境温度の範囲も広がって、
例えば今までは「気温が高くてPCの使用温度範囲を越えるから使えない」ような場所にでも
使えるようになる→売れるようになる、という可能性もあります。

お礼

なるほど。
わかりやすかったです。ありがとうございます。

回答No.13

nakanoren

電力価格の高騰は世界的に見て日本の局所的な現象です。
また、単純なオフィス棟の設置規模からすれば、
現在の 第3・4世代の Core i の消費電力は、過去のCPUに
比較して、必要以上に省電力になっています。
デスクトップ用 CPU（メインストリーム）で
Prescott で MaxTDPが84W に対して
SandyBridge で 65W (しかも GPU付き)

省電力を売りにしているのは大きく分けて2つの理由です。
１．データセンターなどの局所的に非常に多くのCPUを設置しなくてはならな
い需要が多くなったために、省電力の製品が必要。
(しかしここで使用されるCPUは主にサーバー用のモデル)

２．性能を上げるために、省電力をしなくてはいけない。

機能を上げるために、半導体のプロセス（配線の細さ）をどんどんあげなくて
はいけません。しかしそうすると、電気の漏れ（リーク電流）が大きくなり、
無駄な電力が流れて放熱が間に合わなくなります。やがては放熱が間に合わな
くなり自分の熱で破壊されます。
Intel の CPUが Prescott の後継として Tejas が計画されていましたが、
この問題で中止しています。
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/Pentium_4?section=3#Tejas.EF.BC.88.E3.83.86.E3.83.8F.E3.82.B9.E3.81.82.E3.82.8B.E3.81.84.E3.81.AF.E3.83.86.E3.82.B8.E3.83.A3.E3.82.B9.EF.BC.89
リーク電流を減らす努力、ひいては省電力化の工夫が必要です。

逆に言えば、半導体の単位面積あたりの消費電力量には限界があります。

かといって、チップそのものの面積を大きくすると、製造過程で不良品が多く
なり、製造コストが跳ね上がります。

また、放熱に関しても、アルミか銅のヒートシンクを使用しますが、これも
放熱性能に限界があります。室温30℃に対して半導体の動作温度60～100℃程
度まで下げるには、例えば70℃にするためには、100WのCPUの場合
　　(70-30)/100 = 0.4℃/W
以上の熱抵抗性能が必要です。これはCPUサイズに比較してあまり一般的で
ない、かなり大きなヒートシンクサイズになります。
水冷を使用すれば、楽に出せる性能ですが、製造コスト・管理コスト・寿命に
大きな影響があります。

主に、上記１などの市場要求にあった電力のCPUを、２の技術で回路規模と省電力
バランスで決めて、製品化しているのです。
逆に言えば、電力が大きくてもいいのならば、より高性能に、消費電力を
小さくしなければいけないならば、回路規模を減らせばよいのです。

データセンター等で使用されるサーバー用を省電力化すれば、必然的にデスク
トップCPUはそれよりも消費電力が下がっていきます。
これが、デスクトップ用の主力CPUの消費電力が下がっていった理由です。
なお、デスクトップ用でも、性能重視のモデルは、過去に比較してもそれほど
省電力 ではありません。

回答No.12

Microstar

以前半導体関係のＣＭＯＳ－ＬＳＩ設計に携わったことのある者です。
他の回答者の書かれている通りの他に、大きな？理由があります。

省電力をウリにした製品が出回るようになったのは、この日本の電力事情に理由があります。
夏になると、電力供給余裕の問題が出てきて、パソコンからＣＰＵのクロック数を操作して省電力の協力をしようというのが大きいでしょう。

高性能化したＣＰＵも省電力に力を入れるようになったのは、おそらく上記の理由から次のように考えられます。
今のＣＰＵは高性能化することがトランジスタ数を増やすことになり、それに流れる消費電流もどんどん増えていきます。
それが増えていくとどうなるかといいますと、
(1)熱が発生するところが増える。
(2)それを流すための配線幅を広くするとチップサイズが大きくなる。
　・熱対策をするため、配線の中に隙間を作ったことがありました。
　　熱で膨張と収縮を繰り返すと、配線にヒビが発生します。
　・どれだけ電流が流れるかを計算して配線幅を決めたことがありました。
(3)そうなると製造コストが上がれば、ＣＰＵ価格も上がる。
ところまで行ってしまうのです。

上記の３点からそうならないようにするには、デスクトップ用ＣＰＵの設計時に電力対策をせざるを得なくなったのだろうと思います。

回答No.11

superside0

CPUの性能向上が見込めないので、省エネ技術に移行している　という見方もあるのですね。
ある意味、そうなのかもしれませんが、
省電力と性能向上は、一見　ばらばらな技術のようで、
実は消費電力が大きいと、性能が上がらないという　相関関係もあると　思うのです。

というのは、
CMOS半導体は、同じクロック周波数で動作していても、内部のトランジスタの0/1の状態が
激しく変化しいているときは、消費電力が大きくなります。
このように同時に変化する信号が多いと、LSIの内部電源は瞬間的に電圧降下しますので
それに耐えられ電源供給をするための内部の電源ライン（本数と太さ）と外部の電源供給源が
必要になります。
この能力の敷居をこえた瞬間的な電圧降下がおきると、ノイズがのって誤動作してしまいますので、
つまり、その敷居がそのLSIの性能の限界となってしまいます。

もちろん性能の限界はこれだけの要因ではありませんが、LSIの回路設計では
プロセスの微細化やトランジスタのリーク電流削減や変化タイミングの分散化などを行うことで
目的の動作速度を確保しているという面もあるので、
結果論として消費電力も下がっている　という見方もできるのでは、と思います。

回答No.10

notnot

発熱が増えると、より大きなファンを付けないといけないので、うるさくなります。
それにより、吸い込む空気量も増えるので、埃が内部に溜まる量も増えます。
電源装置も大きくなるので、筐体が大きくなります。電源からの発熱も増えるし。

回答No.9

GIANTOFGANYMEDE

電力消費が馬鹿にならないというのもひとつ。

それと放熱の問題も大きいですね。
弊社は冷却ファンメーカーや大学と共同でJIS規格の改訂作業を行っています。
近年の解析技術の進歩でさまざまなシーンの騒音問題が注視されています。
CFD（数値流体力学）による騒音予測や音源探査技術の進歩で、かつてはなかなか手がつけられなかった問題に取り組めるようになってきました。
車、飛行機をはじめ生活場面で生じる騒音源は多岐に渡ります。
事務所ではPCの冷却ファンが大きな騒音源になってきています。
これは冷却ファンが五月蝿くなったのではなく、他の騒音源の対策が進んだ結果、冷却ファンの騒音が目立つようになってきたためです。

ファンの騒音を減らすもっとも有効な方法は風量と圧力を減らすことです。
つめり放熱量を下げることが出来れば、それだけ騒音も下げることが出来るのです。

回答No.8

日吉 龍（@VDSL）

こんばんわ。

これまでの回答者さんが書かれているのも確かにそうですが、おそらく一番の理由は”これ以上性能を上げることが難しくなったから”でしょう。

古くからWindowsを利用している人(できれば自作をやっていた人がいいでしょう)に話を聞けば分かると思いますが、例えばWindows95が世に出た今から約20年前頃は、お店で普通に売っているPCではWindowsを”快適”には利用できませんでした。当時販売されていたPCは”とりあえず”Windowsが動くというレベルで、今から考えると信じられないかもしれませんが、メモリの増設やCPUの付け替えがメーカー製のPCでもごく普通に行われていました。

当時はCPUの性能向上は著しく、一世代変わるだけで性能が1.5倍や2倍になることさえありました。CPUの速度向上は体感速度にも大きな影響を与えたため、CPUメーカーもとにもかくにも性能を上げることに心を砕きました。当時のCPUはまだまだ発展の余地があったため、目に見えるほどの性能向上を比較的短いスパンで実現できましたし、極論すれば集積度と消費電力を上げれば性能も上がるという、ある意味いい時代でした。

その頃は、ユーザ側で定格以上の電力をCPUに流すことで、定格以上の速度でCPUを動作させる”オーバークロック”が流行りました。オーバークロックできるCPUとしておそらくもっとも有名なIntel Celeron 300AというCPU(1998年発売)は、当たりを引けば定格300MhzのCPUを1.5倍の450Mhzで動かすことができ、オーバークロックをすることで体感速度も明らかに変わりました。発熱などの問題でほとんどオーバークロックができない(やる人もいない)今からは、考えられないことですね。

時代が流れ、CPUの速度は十分高速に、メモリも安価になったため、普通にWindowsを利用する限りにおいては通常のメーカー製PCでもほとんど不便を感じないようになりました。これはOSやアプリケーションが求める性能が普通のPCのスペックで満たされるようになったためで、結果として多少CPUが高速になっても目に見えて体感速度が変わらないほどになりました。また、CPUの集積度は限界に近づき、従来のように単純に電力をたくさん消費すれば高速になる = 性能が上がる、という状態ではなくなりました。

上記のように単純な高速化が困難になり、かつ何とか高速化してもそれが体感速度の向上につながらず、消費者の心に響かなくなったため、マルチコアにすることで処理の並列度を上げる、もしくはクロック数を負荷に応じて変化させることで消費電力を抑えるなどという、別の方向で利用者の購買意欲に訴えかける必要が出てきたのです。
＃現在ならHDDをSSDに交換する方が体感速度に影響を与えるでしょう。

ちなみに、低消費電力の流れはサーバにも押し寄せつつあります。
データセンタにサーバを置く前提であれば、基本的に排熱や消費電力はそれほど意識する必要はありませんが、それでも消費電力が少ない方が利用料金が安いこと、データセンタも”グリーン”であることが売りになるような時代になってきたことから、最近はサーバ用途向けの低消費電力CPUを搭載したサーバも本格的に世に出始めています。

ながくなりましたが、まとめると
　・現在のCPUアーキテクチャ的に、より多くの電力を消費することでより性能を上げるというアプローチができなくなりつつあるため。
　・仮にCPUの性能を上げても、それが利用者の体感速度に反映されないため、買ってもらえない
　・体感速度が変わらないのであれば、並列処理したときにも速度が落ちない(マルチコア化、ハイパースレッドが)、もしくは消費電力が低い方がいい
　・データセンタにもグリーン化の波が押し寄せ、サーバ用途でも低消費電力の需要が顕在化してきた
などが主たる理由と言えると思います。

お礼

サーバーの説明は参考になりました。
丁寧に説明していただき、ありがとうございました。

回答No.7

uyama33

CPUのすぐ近くにあったメモリーが壊れました。
熱のせいだと思います。

何台も使っていると、夏は暑くてたまりません。

お礼

デスクトップPCでも発熱の影響は大きいですかね。

回答No.6

mitoneko

デスクトップ用なら電気は使い放題・・・・ほんとでしょうか。
　少し大きめの企業の普通の事務所を思い浮かべられますか？今時なら、机があったら、ほとんどの机には、デスクトップパソコンが置かれています。５０人ほど事務所にいたら、最低５０台・・・下手すると、その１．５倍くらいあったりして・・・。このかけ算の結果は、バカにならない電力量として跳ね返ってきます。また、パソコンの発熱も、台数がかさむと、部屋の大きさによっては冬でも暖房がいらなくなるくらいの熱を発生したりします。さらに酷くなると、冬でも冷房をかけるなんて部屋さえ、冗談話では無く現実にあります。（これがスパコンあたりになると、冷房設備もコンピュータの一部です。これが無いと動かないんですから。）

　もちろん、電気代もかさみますし、節電の圧力も大きいです。省エネ法って聞いたことありますか？少し大きめの企業になると、この法律で毎年決まった率でエネルギーの消費を減らさないといけないんです。冷房の設定温度を上げたり、ネクタイをやめてクールビズと唱えてみたりなんて風景はご存じですよね。　最近では、更に電気代が上がったり、電力不足の恐れがでたりして、ますます注目されていますが、実は、東北の震災より何年も前から、クールビズの言葉は常識としてありました。そもそも、この話は地球温暖化の話から、ＣＯ２を削減しなければいけないという所から始まりました。京都議定書って聞いたことありますか？それです。
　企業によっては、省エネルギーの出来ていない装置は買いませんし、製造元の会社が省エネルギーに積極的かどうかまで機器選定の判断材料になるところも少なくない。今の時代は、そんな時代であることは知っておいた方が良いと思います。興味があれば、「エネルギーの使用の合理化に関する法律（通称省エネ法）」とか「ＩＳＯ１４０００」なんてキーワードを調べてみても良いですね。

お礼

なるほど。
参考になります。
デスクトップPCの発熱も馬鹿にならないんですね。
やなり、節電の社会的要請も背景にあるわけですね。

回答No.5

lupin-333333

歴史に学ぶべきです。

追うのは、ＣＰＵの進化とそれを作ってきたメーカー各社。ＩｎｔｅｌはもちろんＲＩＳＣワークステーション（ＵＮＩＸ）、ＡＭＤなどの互換チップメーカー、さらには最近のグラフィックチップメーカーからチップセットメーカー、ＭＰＵメーカー、モバイルチップメーカーと躍進をつづけるNvidaなど、そしてモバイルチップメーカー。

それぞれのチップメーカーの歴史と共にＣＰＵの進化を１９８０年代初頭からおうと卒業論文が書ける。

とりあえずＩｎｔｅｌから簡単に

http://ja.wikipedia.org/wiki/SpeedStep

ですね。そこにまさに、あなたがきにしていることが記載されています。抜粋
「省消費電力はそれまではあまり省みられない分野だったが、トランスメタがCrusoeで省電力を最大の」

そう、このテクノロジーの成功が、Ｘｅｏｎチップと言うサーバー専用チップに

順番的にはこうかな？
http://ja.wikipedia.org/wiki/Crusoe
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20071212/144083/

のちにサーバー系のチップXeonにも搭載され、本格的にディスクトップマシンにも反映されてきた。

その時代、世界で何が起きて、どのような革新があったのか？　それを引き出せば答えがでます。ヒントとしては、同じ頃、ジョブス氏はあのiPod , iPhoneの開発にいそしんでいたわけです。そう、

https://www.google.co.jp/search?hl=ja&q=%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%82%BA%E3%80%80%E5%B0%8F%E3%81%95%E3%81%84%E7%89%A9%E3%81%B8&lr=lang_ja#hl=ja&lr=lang_ja&psj=1&q=%E3%83%80%E3%82%A6%E3%83%B3%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%82%B8%E3%83%B3%E3%82%B0%E3%80%80%E3%83%81%E3%83%83%E3%83%97&tbs=lr:lang_1ja

も一気に加速し、Intelなどパソコンチップメーカーが世界最速をめざし、チップの大きさも処理も大きくしてきたテクノロジーは実は、ダウンサイジングすると、今まで考えられなかった小型の電子機器の箱ができることをジョブス氏は理解していた。

彼はSonyをリスペクトしていたらしいが、Ｓｏｎｙの最大のヒットと言えば、ラジカセのダウンサイジングで作ったウォークマン。彼も同じことをしたわけだ。本家のＳｏｎｙは全く違う事に向かっていたけどね。

小型機器に当用した省電力システムが実は、Intelのチップの開発の発想に大きく転機を迎えさせたわけだ。チップ開発で限界が来ていて、どうしても敗れないのが、高クロック周波数による発熱。発熱するから性能がおち、またスピードも上がらない。そのジレンマを解消したのがマルチコア化と省電力テクノロジー。この２つの発想で、大幅に前進した。必要な時だけ電力を使う。そんな当たり前のことが今まで無視されてつづけていたことの方が、おかしかったわけ。

熱処理がこれからの課題。君は、パソコンの中をのぞいた事があるだろうか？　でかいファンやヒートシンクが筐体の中を支配している。1998年ごろまでのパソコンはＵＮＩＸワークステーションを含め無かった。

あのＮＡＳＡとかで使われていたＳｕｎ社、ＳＧＩ社のマシンのチップに始めて直径２cmぐらいのヒートシンクが搭載されてきた物、その時代。かわいいもんだ。

＞やタブレッドPCほど省電力のニーズ

と思っているようだが、それは世間しらず。と言うより、日本人なんだろうかと、いいたい。３．１１以降、会社は、全総力をあてて節電にいそしんだはず。それを忘れましたか？

実はそれ以前でも大手の会社や、先進的な中小では、ＩＳＯ１４０００１などの取得がトレンドでした。これは、少量化を念頭に経営者側が企業戦略として、積極的に進めていた事です。これを進めると、省電力が達成され、コストカットになると思われているためです。

中身は、自分たちで目標を決め文書かして、それをログをとりながら遂行するというものです。例えばごみゼロ運動しかり、分別、昼休みは消灯など、部単位で省力化をしていました。当然すべてのパソコン（ノートとかディスクトップとか関係ない）やプリンターは全て待機状態をタイマーでできる商品を買ったり設定したりする。

私の部署なんて、それで年間消費電力を２０％削減しました。これは３．１１よりも前の年ですね。年間電気代が３００万円以上使っていたいオフィスがそれで２０％削減しわわけです。それで３．１１を迎えたわけです。

それ以上の削減というより、使えない状態がずーーーとつづいたわけです。

以上のように、テクノロジーの歴史と、世界の社会のできごとと付き合わせて、見てゆくと、それによって生まれたムーブメントとイノベーションがリンクしていることがわかる。自分で探せ。

お礼

長文ありがとうございます。

回答No.4

aspl21

熱量が抑えられれば故障率が下がります。まあでも家庭用のデスクトップPCに求められたのは、何といっても省電力だと思います。

具体的に数値出して話をすると（私が学生だったら10年くらい前、）Pentium4のPCだったら月2500円ぐらいかかったりしていました。

今はcorei7でもそんなにかからないでしょうし、他のCPUならもっと電気代安いです。(今はceleronの省電力CPUでサーバ建ててますが月1000円です。)atomなら月500円.かからないという情報もありますね。

ずいぶん昔と比べて消費電力が少なくなりました。

お礼

デスクトップPCの電気代も馬鹿にならないのですね。