電圧のスケーリングによって、LPDDR5Xが効率的なAIユーザーエクスペリエンスを実現する仕組みとは？

エッジにおける自動化とインテリジェンスの向上を求めるコンシューマー需要の高まりがAI対応スマートフォンの普及を後押ししています。これにより、エッジAIは次世代モバイルエクスペリエンスを実現するうえで欠かせない存在となっています。デバイスでAIを実行することで、常時インターネット接続の必要性や、クラウドなど集中型サーバーへの依存が減り、応答時間の短縮と安全なデータ処理が可能になります。AIへの期待が高まっている一方で、現行のハードウェア性能はその進化に追いつけていません。

高度な処理効率を推進するAI 

AI中心の経済では、データがあらゆるインサイトや予測、意思決定の原動力となります。高度なアルゴリズムや大規模モデルの有用性は、取り込んだデータの品質、量、アクセシビリティに依存します。

大規模言語モデル（LLM）には膨大で複雑なデータ入力が不可欠であり、その処理には多大な計算リソースが求められます。LLMをデバイス上で直接実行する「オンデバイスAI」は、高負荷のワークロードを処理できる高性能ハードウェアを必要とします。高速パフォーマンス、シームレスなアプリ切り替え、迅速なロード時間、バッテリー駆動時間の延長といったユーザーの期待に応えるため、モバイルデバイスはクラウドに依存することなくリアルタイムでAI処理ができなくてはなりません。そこでメモリが重要になります。メモリはデータと計算の橋渡し役となり、プロセッサーが大きなデータセットに瞬時にアクセスして処理できるようにします。この応答性は、メモリの処理能力次第です。ただし、AI処理や高解像度ビデオキャプチャなどのタスクは、膨大な電力を消費します。どんな進歩にも代償が伴いますが、この場合は高い応答性を実現する代わりにバッテリーの消耗が増えてしまいます。そのため、AIが求める速度を実現し、かつエネルギーを節約するには、省電力メモリまたは低消費電力DRAM（LPDRAM）が不可欠となります。

低電圧でさらなるパフォーマンスを実現 

これまでの複数世代にわたるLPDDR（低消費電力ダブルデータレート）メモリの開発では、業界全体で電圧スケーリングの限界に挑む取り組みが進められてきました。電力は電圧と電流の積であるため、供給電圧の低下は直接的に消費電力の削減につながります。電力消費が大きい高速メモリシステムでは、わずかな電圧低下でも大きなエネルギーを節約できます。

より高い帯域幅と優れた電力効率を有するモバイルDRAM世代のLPDDR5Xは、従来の一元化されたVDD2レールを、VDD2H（VDD2の高電圧ドメイン）とVDD2L（VDD2の低電圧ドメイン）の2つの独立したドメインに再構成することで、この進歩を実証しています。この分割によって、さまざまなパフォーマンス要件に合わせたより正確な電圧制御が可能になりました。

このアーキテクチャーを最大限活用するには、DVFSC（動的電圧・周波数スケーリング制御）やeDVFSC（強化型DVFSC）などのテクノロジーが不可欠です。これらのテクノロジーは、ワークロード需要に応じて電圧と周波数を動的に調整し、低速タスク時にVDD2Hの動作電圧を下げることで、消費電力を抑え、バッテリー駆動時間を延ばします。

メモリバンクやコアロジックのような高性能コンポーネントは、速度と応答性維持のために、VDD2HやVDD1などの高電圧レールから継続的に電力供給を受けています。これに対し、周辺回路やI/O機能はVDD2LやVDDQなどの低電圧レールで動作し、低負荷タスクの電力消費を削減します。

低電圧VDD2Hにおけるマイクロンのイノベーション

VDD2HとVDD2Lの分割は、電源供給における柔軟性と効率性を新たなレベルに引き上げることで、極めて重要な進歩をもたらしました。エンジニアは、本来のVDD2レールからフル電圧を必要としないコンポーネントを特定することで、低周波動作時にシステムをVDD2Lで動作させることに成功し、応答性を損なうことなく消費電力を削減しました。

しかし、イノベーションはそこで終わりませんでした。マイクロンのエンジニアは、VDD2Hから電力供給を受けていたコンポーネントでも、より低い閾値電圧を許容できることを発見しました。これにより、精密に調整されたVDD2Hの低電圧版である低VDD2H（LVDD2H）が誕生したのです。VDD2Hを動作可能な最低電圧レベルにまで引き下げることで、LVDD2Hモードは、すでにVDD2Lの分割によって得られている省電力効果に加え、さらなる節電を実現します。

VDD2Hの電圧を下げることには、特に高速動作モードにおいて、いくつかの重要なメリットがあります。

• 動的・静的消費電力を減らし、エネルギーの全体消費量を削減する。
• 消費電力が少ないと熱の発生抑制につながるため、熱性能が向上する。
• 効率性が極めて重要となるモバイルや組み込みシステムにおいてバッテリー駆動時間が延びる。

LVDD2H動作モード

広範なテストと特性評価を通じて、マイクロンのエンジニアはLVDD2Hの2つの主要な動作モードである公称モードと最小モードを定義しました。

公称モードでは、エコシステムの能力に合わせて、8.533～10.7Gbpsのデータレートでは電圧レベルを1.05Vに維持し、7.5Gbps未満では電圧を下げています。最小モードでは、全てのデータレートでLVDD2Hの電圧を下げることができます。

LVDD2Hが可能にする消費電力の削減 

マイクロンの社内テストでは、人工知能マークアップ言語（AIML）と使用日数（DoU）の2つの主なユースケースでLVDD2Hの重要性が実証されています³。AIMLのワークロードでは、VDD2Hを1.060Vから0.98Vに削減することで、平均で最大8%の消費電力削減を実現しました⁴。電圧削減は12種類のAIモデルで検証され、いずれも顕著な省電力効果が確認されました。LLMのなかでは、Llama 2-13bが最大12%の電力削減効果を示しました。これらの消費電力削減により、音声アシスタント、写真処理、自動修正、チャットボットといったAI搭載機能におけるエンドユーザーエクスペリエンスが直接的に向上します。DoUシナリオでは、電圧削減により、8つの異なるユースケースにおいて平均5%の省電力効果が得られました。DoUのユースケースは、Facebookでのチャット、音楽の再生、ウェブ閲覧、動画視聴など、モバイルデバイスで1日を通して発生する一般的なユーザー活動を網羅しています。

今後の展望

電圧を下げることは消費電力の直接的な削減につながり、ユーザーが日常的に実感できる形でバッテリー駆動時間が延びます。テクノロジーがかつてない速度で進化する中で、高度なメモリソリューションはそれに対応するために不可欠です。マイクロンは、エンドユーザーが実感できるプラスの効果を作り出すために、設計段階から電力効率とパフォーマンスの最大化を追求し、エネルギー効率の高いDRAMの業界基準を確立しています。エコシステムパートナーと緊密に協力し、連携したイノベーションと業界全体の進歩を支えることで、データの未来を構築しています。マイクロンは、イノベーションと卓越性を絶え間なく追求し、常に一歩先を行くことで、次世代のエクスペリエンスを創出するソリューションを提供し続けています。