CPUのプロセスルールとは？

最終更新日 2023年09月07日

基礎

CPUのプロセスルールとは回路の配線の幅です。回路にトランジスタ同士を結ぶ配線があります。CPUに限らず、回路がある半導体チップにもプロセスルールがあります。プロセスルール以外に製造プロセスルール、製造プロセス、設計ルール、プロセスノード、プロセスサイズという呼び方もあります。

バックポート

バックポートとは、特定のプロセスルールでCPUを製造してきたが、そのプロセスルールよりも古いプロセスルールに変更することです。新しいプロセスルールだとCPUのクロック周波数が低い、歩留まりが低い等、何らかの問題が出てきたときに、バックポートする場合があります。バックポートするときにCPUのマイクロアーキテクチャー(設計)も変更する場合があります。

プロセスルールを小さくするメリット

プロセスルールを小さくするとCPUの機能・性能を向上できる、発熱・消費電力を削減できる、製造コストを削減できる、以上のメリットがあります。これらのメリットがあるのでCPUの各メーカーがプロセスルールの微細化を進めています。

もう少し詳しく解説します。CPUのサイズには制限があります。プロセスルールを小さくすると一定サイズ内に存在できるトランジスタ数が多くなり、多くのトランジスタを使用し高機能化・高性能化を実現できます。トランジスタ数を増やさない場合、CPUのサイズを小さくでき製造コストが減ります。

プロセスルールを小さくすると配線を短くもでき、配線を流れる電子の移動距離が短く済むので、トランジスターの動作速度が向上しCPUの性能向上につながります。

配線の幅が小さくなり長さが短くなれば配線の抵抗が小さくなり、発熱・消費電力が減ります。発熱・消費電力が減った分を、電圧・電流を増やしクロック周波数を向上させて増える発熱・消費電力の分に回せます。つまり、CPUの性能向上につながります。

プロセスルールを小さくするデメリット

プロセスルールを小さくすると、リーク電流が増えるデメリットがあります。リーク電流とは、回路で絶縁体に電流が流れてしまい漏れる電流です。リーク電流が増えると消費電力と発熱量が増え、クロック周波数の向上が難しくなります。

フルノード、ハーフノード

プロセスルールの微細化の進みを以下に一部記載します。

180nm、130nm、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm

実際には上記の他に、改良して少し微細化を進めたものもあり、これをハーフノードと呼びます。上記をフルノード等と呼びます。

150nm、110nm、80nm、55nm、40nm、28nm、20nm

ムーアの法則通りに進む微細化

ムーアの法則とは、1つの半導体チップに作れるトランジスター数が1.5〜2年で2倍になる法則です。プロセスルールの微細化がムーアの法則通りに進みます。例えば180nmから130nmの微細化が約70%です。トランジスターの面積を約50%に小さくできます。同じ面積の半導体チップに作れるトランジスター数を2倍にできます。1.5〜2年経つと130nmから90nmに微細化が進み、これも約70%であり同様です。

+(プラス)は改良版

例えばKaby Lakeのプロセスルールを14nm+と記載しますが、+(プラス)は改良版を示します。微細化はしていないが、回路の製造を改良し性能が上がっている、消費電力が低下している等の変更があります。14nm+は14nmの改良版です。+が複数付く場合もあり、14nm++は14nm+の改良版です。

単位nm未使用に変更

プロセスルールの単位はnm(ナノメートル)です。2021年にインテルはIntel 7、Intel 4、Intel 3、Intel 20A、Intel 18A等と表記することに変更しました。Aはオングストロームであり0.1nmです。20Aは2nmです。18Aは1.8nmです。この表記に含む数字が、この数字と同じ他メーカーのプロセスルールに相当します。Intel 7は他メーカーの7nmに相当します。インテルのプロセスルールが10nmでも他社の7nmに相当する等、このようにnm使用の数字で比べられなくなったのでIntel 7等の表記に変更しました。

・製造プロセス - 意味・説明・解説 : ASCII.jpデジタル用語辞典(2008/10/09更新記事)
・プロセスサイズ - 意味・説明・解説 : ASCII.jpデジタル用語辞典(2010/04/16更新記事)
・図解で納得！最新CPUはココがすごい（8ページ目） | 日経クロステック（xTECH）(2010/07/06公開記事)
・ASCII.jp：半導体プロセスまるわかり　1991年以降のプロセスを振り返る (1/3)｜ロードマップでわかる！当世プロセッサー事情(2014/02/17更新記事)

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