Intel Atom

概要

過去には、インテルのモバイル・組込み向けプロセッサはx86ではなく、DECから買収したStrongARMと、その発展型をXScaleブランドで販売していた。XScaleは携帯情報端末や組込みシステムに採用され、多くのPocket PCで使われた。
当時のx86は、競合していたARMと比べて回路規模やクロック周波数の高さから消費電力が大きく、パッケージも大きかったため、小型化や低消費電力が求められるモバイル機器向けや組込み用途にはあまり採用されていなかった。しかし、ソフトウェアの開発環境では、x86の豊富な開発ツールやプログラミング技術者の層の厚さといった有利な面があり、その後の半導体プロセスやマイクロアーキテクチャの改良などの性能向上によって低消費電力化や小型化が行われれば、市場に受け入れられる環境は整っていた。
2007年4月、インテルはx86ベースで低消費電力という新しいカテゴリ「LPIA」とその第一弾のプロセッサ「A100」を発表した。内実としては、専用に大幅な新規開発を行ったものではなく、既に販売されていたPentium Mマイクロアーキテクチャの第2世代にあたるCeleron M（コードネーム「Dothan-512K」、90 nmプロセス）そのものであり、周辺チップには既存のICH7から消費電力の大きいPCI Expressインタフェースを取り除くなどしたICH7Uが使われていたが、XScale部門をマーベル・テクノロジー・グループに売却したことなどもあり、x86によるモバイル・組込み機器の発展の端緒となった。インテルはこれに続けて、Atomシリーズを展開した。

Bonnell マイクロアーキテクチャ

第1世代のAtom向けマイクロアーキテクチャである。実装している命令セットはIntel Core 2と互換であるとされ、x86命令、x87命令、そしてMMX、SSE、SSE2、SSE3、SSSE3などの拡張命令を搭載している。製品により、Intel 64やIntel VT、ハイパースレッディング・テクノロジー、EIST、NXビットが利用可能な物もある。また、新しくディープパワーダウン (C6)、スレッド別の低電力状態 (TCx)、CMOSバスモードなど電力管理機能が強化された。
最初に出荷された製品は、I/Oパッドを両サイドに配置した細長い長方形のダイ・レイアウトで、製造効率が最も高いとされる正方形のダイ形状ではない。これは、ダイサイズの小さなプロセッサをマルチコア化する際に有利であることから採用されたもので、その後、これを活かしたデュアルコア製品が追加された。
約4,700万個のトランジスタにより構成されており、これは当時のインテルのx86プロセッサの中では最も少ない。ダイサイズ25平方 mm未満であり、インテル史上最小のx86プロセッサとして登場した。製造にはリーク電流低減に有効とされるハフニウム注入によるHigh-k（高誘電率）ゲート絶縁膜とメタルゲートによる45 nmプロセス・ルールが採用されるなど、省電力化が徹底されており、インテルのCPU史上最も低い電圧で動作し、消費電力はVIA Edenと同等。電圧を高くすることで当面最大となる1.8G Hz程度の動作周波数を確保し、それに応じて熱設計電力 (TDP) も0.6 W - 2.5 W程度と抑制された。
刷新されたCPUコアでは電力消費低減のため、第1世代のBonnellはアウト・オブ・オーダー実行構造を捨て、イン・オーダー実行の、比較的古いマイクロアーキテクチャに立ち返り、再設計された。
2次キャッシュの容量やFSBの速度はPentium 4-Mと同程度で、実質的な処理速度でも、同クロックのWillamette・NorthwoodのPentium 4やNorthwood-256kのMobile Celeron、Prescott-V (Prescott-256K) のCeleron Dなどと同程度であるが、同クロックのZ530（FSB533MHz 1.6GHz TDP2.2W (HT)）とPentium 4-M（Northwood FSB400MHz 1.6GHz TDP46.8W）とで比較した場合、TDPは後者の約4.7%となり、エネルギー効率は格段に向上した。
このうち、2008年9月より出荷された330は、CPUパッケージに230を2個搭載させたデュアルコアモデルである。330はまずデスクトップパソコン（ネットトップ）において発売を開始、2009年6月にはネットブックへの搭載機種が発売された。330搭載のネットトップについては消費電力が少なく、相応の性能があるため、主に超小型ベアボーンやショップブランドパソコンとして発売されており、ファンレス製品もある。230と330に関しては、各社からMini-ITXやマイクロATXのマザーボードに実装された状態で発売され、いずれも概ね1万円以下で入手可能である。CPUのみの交換はできないが、自作デスクトップPCとして組み立てることが可能である。
2009年12月には、開発コードPine Trail-Dと呼ばれていた新型プロセッサD410、D510が発表された。これらの最大の特徴は、元来ノースブリッジの機能だったGPUとメモリコントローラーをCPUに統合した点にある。これにより従来のAtomプラットフォームと比較し、平均消費電力は約20%低下したとされている。また、従来3D性能のもの足りなさが指摘されていたグラフィックは、GMA 950からGMA 3150へと替わった。メモリスロットとメモリ総容量の少なさも解消されたことからWindows 7に正式に対応している。2009年12月に発売された製品では、DVIとHDMIはサポートされていない。

ネットトップ・ネットブック向け

頭文字に"D"が付く製品は簡易用途デスクトップPC、いわゆるネットトップ向けである。一方"N"が付く製品はネットブック向けとなる。230と330は主にネットトップ向けだが、ネットブックにも搭載された。

Embedded Menlow

組込み機器向けの、コードネーム「Embedded Menlow」（エンベデッド メンロー）もSilverthorneとPoulsboで構成される。組込み機器においては「同じものが長期間に渡り調達可能であり続ける事」が重要となるため、ライフサイクルサポートを7年としている点が異なる。

Saltwell マイクロアーキテクチャ

第2世代のAtom向けマイクロアーキテクチャである。Bonnellを32nmプロセスルールに縮小したもの。2011年9月出荷開始。

Silvermont マイクロアーキテクチャ

第3世代のAtom向けマイクロアーキテクチャで、Atom向けとしては最初の機能強化版である。22nmプロセスルール。Intel VT-x や AES-NI 対応など、サーバ向けの機能が強化されている製品もある。デスクトップ・ネットブック向けのチップは Atom ブランドではなく Celeron や Pentium のブランドで発売される。最初に発表された製品がサーバー向けで2013年9月4日発表。
Silvermontマイクロアーキテクチャは、Atomとしては初めてアウト・オブ・オーダー型の設計となった。命令デコード、リタイアは依然としてクロック当たり2命令であるが、整数×2、浮動小数点/SIMD×2、ロード/ストア×1の計5つの命令発行ポートを備え、クロック当たり最大5命令を順不同で発行可能である。これらの発行ポートは各々に独立したスケジューラ (リザベーション・ステーション) を備えており、IntelのマイクロプロセッサとしてはNetBurstマイクロアーキテクチャ以来の分散型のスケジューラを持つ構造となっている。従来のAtomマイクロアーキテクチャではロード+演算の型を持つCISC命令に対応するため、命令パイプラインの共通部分にL1Dキャッシュへのアクセス段を組み込み、キャッシュアクセスのレイテンシを隠蔽する構成を取っていたが、Silvermontではこれを廃し、独立したロード/ストアパイプをバックエンドに設けている。このため、パイプライン長は従来と比較して短くなり、整数演算命令における分岐ミス時のペナルティも13サイクルから10サイクルへと短くなっている。
5つのスケジューラのうち2つの整数スケジューラは完全なアウト・オブ・オーダーの実装になっており、オペランドが準備できた命令から発行可能である。一方で他の3つのスケジューラはプログラム順の発行しか許しておらず、スケジューラ内の最も旧い命令が発行されない限り他の命令の発行はできない。このため、浮動小数点演算/SIMD命令で順不同での発行が可能なのは、別のスケジューラに割り当てられた命令同士の組み合わせのみである。ロード/ストア命令に関してはスケジューラが1つしか存在しないため、同種の命令同士で順不同の発行は不可能であるが、可能な限り命令発行をブロックしないために2つの工夫が導入されている。1つはキャッシュミスに対するノンブロッキングな設計で、キャッシュミスが起きても最大8命令までは後続命令をブロックすること無く命令発行が可能である。もう1つはRehab Queueと呼ばれるサブ命令キューの設置で、TLBミスやアドレス計算に必要なオペランドが到着していない等の理由で命令が発行できない場合に、このRehab Queueにスケジューラから命令を追い出すことができる。これらの工夫により、ロード/ストアパイプはインオーダ型のスケジューラ1つでも命令の"詰まり"による性能低下が起こりにくい設計になっている。
Silvermontは2つのコアと1 MBのL2キャッシュで1つのモジュールを構成しており、モジュール間はIntra-Die Interconnect (IDI) と呼ばれるポイント・ツー・ポイント型のインターコネクトで結ばれる。従来は低速なFSBがコア間通信やDRAMアクセスのボトルネックとなっていたが、新アーキテクチャではこれを廃している。サーバ向けには最大8コア、タブレット/ネットブック向けには最大4コア、スマートフォン向けには最大2コアの構成が予定されている。いずれの場合も1コアで1スレッドを実行し、従来のようにハイパースレッディング・テクノロジーには対応しない。対応する命令セットはSSE4.1、SSE4.2、AES-NIなどが新たに加わっているが、2011年より同社のCore系のプロセッサに搭載されているAVXには対応しない。
Intelは前世代の32 nmのSaltwellマイクロアーキテクチャと比較して、シングルスレッドではIPCが50 %程度改善し、同じ消費電力で性能は2倍になると主張している。また、マルチスレッドではSilvermontの4コアで2コア4スレッドの前世代と比較してピーク性能が2.8倍、同じ消費電力の場合は性能が2.5倍になると主張している。

Airmont マイクロアーキテクチャ

第4世代のAtom向けマイクロアーキテクチャで、2015年3月2日発表。プロセスルールは14nm。GPU は第8世代 Intel HD Graphics (Broadwell 世代) 。

Goldmont マイクロアーキテクチャ

第5世代のAtom向けマイクロアーキテクチャで、2016年9月1日発表。プロセスルールは14nm。GPU は第9世代 Intel HD Graphics (Skylake 世代) 。

Goldmont Plus マイクロアーキテクチャ

第6世代のAtom向けマイクロアーキテクチャで、2017年12月11日発表。プロセスルールは14nm。GPU は第9.5世代 Intel HD Graphics (Kaby Lake 世代) 。