AMD CPUの歴史：セカンドソースからチップレットまで

長年にわたり、「PCのプロセッサ」と聞いて多くの人が思い浮かべるのは一社の名前、Intelでした。しかしx86の物語は一社だけのものではありません。Advanced Micro Devices、略してAMDは、他社向けにチップを作る小さな会社として出発しました。数十年にわたり大きなライバルの陰で戦い、設計や法廷での争いに勝ち、2010年代後半にはZenアーキテクチャとチップレットという新しい製造手法によって自らを作り直しました。この記事では、1969年の創業から、ゲーミングPC、サーバー、ゲーム機で使われる現在のプロセッサまでの歩みをたどります。

1969年：シリコンバレーでの創業

AMDは1969年、カリフォルニア州サニーベールで、Jerry Sandersらによって設立されました。創業者たちは、数年前に集積回路の開発に貢献したFairchild Semiconductorの出身でした。初期のAMDは論理回路チップやメモリを製造しており、その多くは他社が作った設計をもとにしたものでした。大手サプライヤーとの競争の中で、価格と納期の速さが重視されるようになり、それは数十年にわたって会社の習慣になりました。

セカンドソースの時代

1970年代、大手の電子機器メーカーは重要なチップを一社だけに頼ることを望みませんでした。サプライヤーが品薄になったり値上げしたりすれば、製品ライン全体が止まりかねないからです。そこで業界ではセカンドソース制度が使われました。ある企業がチップを設計し、別の企業が同じチップを製造する許可を得て、顧客に選択肢を与えるのです。AMDは業界で最も重要なセカンドソースの一社になりました。

1975年、AMDはIntel 8080プロセッサの互換品Am9080の生産を始めました。ピン配置と動作は同等で、8080向けに設計されたシステムは基板を変更せずにAMDのチップを使えました。この仕事は、まだ自社のプロセッサ設計を持たない時期の安定した収益と製造経験をもたらしました。

IBM PCと8086ファミリー

1978年のIntel 8086と、その後に続いた安価な8088は、x86アーキテクチャの土台となりました。1981年にIBMがPCに8088を採用したとき、同社は供給を守るためのセカンドソースも求めました。そのためIntelは設計を他社にライセンスし、AMDもその一社になりました。IBM PCが互換機産業全体の手本になったため、AMDはPCビジネスの中心に入ることができたのです。

ただし、ライセンスには制限がありました。設計の主導権はIntelにあり、契約はAMDがどのチップをどの条件で作れるかを定めていました。この緊張関係は長く続きました。AMDは成長のためにライセンスを必要とし、Intelは最も利益を生むアーキテクチャの支配を保ちたかったのです。

286と386をめぐる争い

1982年、Intelは16ビットで改良されたメモリ管理を備えた80286を発表しました。AMDはライセンスを得て、Am286という独自版を作りました。しかし契約には、プロセッサの動作を指示する低レベルの命令であるマイクロコードの使用条件が含まれており、両社はその条件をめぐって何年も争いました。

1985年のIntel 386は、現代のPCソフトウェアの基盤となる32ビットプロセッサでした。AMDは長い交渉と、訴訟や仲裁を含む法的手続きを経て、最終的にAm386を生産しました。両社とも法務費用に多額を費やしました。結果として、どの設計が独自の開発とみなされ、どれが元の権利者の下に残るかを定めるクロスライセンス契約が成立しました。

この時期にAMDが得た教訓は、知的財産が半導体ビジネスの中心にあるということでした。中核となる設計を所有しない企業は、常に脆弱なままです。

486と自社の立ち位置を探して

Intelの1989年の80486は、プロセッサ、浮動小数点演算ユニット、キャッシュを一つのチップにまとめたものでした。386より明らかに高速で、1990年代初頭の高性能デスクトップの標準となりました。AMDも互換の486を製造し、PC市場の拡大とともに売上を伸ばしました。顧客はより速いマシンをより安く求めており、AMDはそれに応える選択肢を提供したのです。

K5：初めて完全自社設計のx86プロセッサ

1996年、AMDは初めて完全に自社で設計したx86プロセッサK5を発表しました。それまでのAMDは、ライセンスされた設計とIntel製品のリバースエンジニアリングに大きく頼っていました。K5は、AMDの技術者が自社のアーキテクチャから競争力のあるチップを作れることを証明しました。性能はIntelのPentiumに常に匹敵したわけではありませんが、当時のソフトウェアとの互換性と価格の良さを備えていました。

K5のプロジェクトには多くの困難がありました。野心的な設計目標があり、チップは計画より遅れて市場に出ました。それでもこの経験から、AMDは大規模な設計プロジェクトの運営、複雑な論理の検証、製造パートナーとの連携を学びました。

NexGenとK6

1996年初頭、AMDは小さな企業NexGenを買収しました。同社のチームはNx586というプロセッサを設計していました。NexGenの技術者は異なる方法を取りました。x86命令をより単純な内部処理に変換し、複数の処理を並列に実行できるようにしたのです。Nx586は一部の処理で強みを持っていましたが、製造と市場の両面で問題を抱えていました。

AMDはNexGenのチームを基盤として、1997年にK6を発表しました。K6は省電力で安価なチップで、IntelのPentium MMXと直接競合しました。価格に対する日常的な性能は高く、AMDが価格重視のプロセッサメーカーとしての評判を築く助けになりました。

K6-2と3DNow!

1998年に発表されたK6-2は、3次元グラフィックスと大量の浮動小数点演算を加速する3DNow!という命令セットを加えました。これは3Dゲームやマルチメディアの需要の高まりに応えて開発されたものです。使うにはソフトウェア側の対応が必要で、すべてのプログラムが対応したわけではありませんが、当時のIntelにない機能をAMDに与えました。

K6-2は低価格帯と主流市場で大量に売れ、AMDがデスクトップ市場でより大きなシェアを得る助けになりました。

Athlon：AMDが性能のリーダーに

1999年、AMDはK7プロジェクトに携わったDirk Meyerらのチームが設計したAthlonを発表しました。Athlonは大きな飛躍でした。新しいアーキテクチャ、より速いバス、より深いパイプラインを備え、AMDのx86プロセッサとして初めて、純粋な性能でIntelの最上位製品と本格的に競争できるものでした。

2000年3月、AMDはIntelより少し早く、1 GHzのx86プロセッサを一般消費者向けに出荷した最初の企業となりました。この節目は広く報じられ、AMDのイメージを価格重視のブランドから技術的リーダーへと変えました。ゲーマーやオーバークロッカーがAthlonを好むようになったのです。

Thunderbird、Palomino、Athlon XP

2000年のAthlon Thunderbirdはプロセッサダイ上にレベル2キャッシュを加えて性能を高め、その後にPalominoコアとAthlon XPが続きました。XPという名前は、動作周波数が低くても多くのテストでIntelのPentium 4に匹敵することを示すために使われました。周波数ではなく性能で名付けることは議論を呼びましたが、市場では効果がありました。

Athlon XPとAthlon MPはデスクトップとサーバーで成功しました。この時期のAMDは高い収益性を享受しましたが、Intelとの競争は激しいままでした。

Athlon 64とx86-64

この時代の最も重要な転機は2003年に訪れました。AMDがサーバー向けにOpteron、一般消費者向けにAthlon 64を発表したのです。両者はx86-64、正式名称AMD64と呼ばれるx86の拡張を実装し、64ビットのアドレス指定とより多くのレジスタを追加しました。Intelは別の64ビットアーキテクチャをHewlett-PackardとともにIA-64、すなわちItaniumとして開発していましたが、これは既存のx86ソフトウェアと互換性がありませんでした。AMDの方式なら、プロセッサは32ビットと64ビットのプログラムを両方実行でき、顧客はソフトウェアを書き直さずにアップグレードできました。

この決断は成功しました。Intelは最終的にAMD64命令セットをIntel 64の名で採用し、AMDが次の十年の主流x86の方向性を定めたことが確認されました。

メモリコントローラがチップに移る

Athlon 64はメモリコントローラもプロセッサ自体に組み込みました。以前はマザーボード上の別のチップにあり、メモリアクセスのたびに遅延が加わっていました。統合されると、プロセッサはRAMからより速くデータを取り出せるようになり、多くのアプリケーションで性能が向上しました。この考え方は業界の標準となり、後のInfinity Fabricやチップレット設計の土台にもなりました。

Athlon 64 X2とデュアルコアの時代

2005年、AMDは一つのチップに二つのコアを載せたデュアルコアプロセッサAthlon 64 X2を発表しました。Intelも同じ頃にデュアルコア製品を出していましたが、Athlon 64 X2は性能、低い消費電力、既存のマザーボードとの互換性で高く評価されました。マルチコア計算の初期において、AMDは一般消費者市場で強い地位を得ました。

2006年のATI買収

2006年、AMDは大手グラフィックスチップメーカーATI Technologiesの買収を完了しました。買収額は約54億米ドルでした。この取引は会社の方向性を変えるものでした。数十年の経験を持つグラフィックスチームと価値のある特許群を手に入れたのです。AMDは、中央処理と画像処理を組み合わせることがコンピューティングの未来を決めると考えていました。

しかし買収には大きな負担もありました。AMDは多額の借り入れを抱え、文化の異なる二つの技術組織を統合しなければならず、その後の財務状況は脆弱になりました。それでも、CPUとGPUを組み合わせるという発想は、AMDが2011年から出荷を始めたAPU（Accelerated Processing Unit）へとつながり、後にはゲーム機の内部のプロセッサにもつながりました。

Phenomと高くついた失敗

2007年のPhenomは、AMDとして初めてネイティブに設計された4コアプロセッサでした。2つのデュアルコアを貼り合わせたのではなく、4つのコアをすべて一つのダイ上に作ったものです。設計は野心的でしたが、初期版にはトランスレーション・ルックアサイド・バッファ（TLB）のバグがあり、一部の状況で安定性と性能に影響しました。AMDはパッチと後の改訂版を出しましたが、会社の評判は傷つきました。

Phenomのクロック速度も、2006年に大きな性能差を伴って登場したIntelのCore 2に後れを取りました。AMDの市場シェアは弱まり、同社はコスト削減とグラフィックス事業に注力しました。この時期は、綿密な検証、現実的なスケジュール、設計ミスの代償の大きさをAMDに教えました。

BulldozerとAPU

2011年、AMDはBulldozerアーキテクチャを導入しました。コアを「モジュール」にまとめ、二つのコアが浮動小数点ユニットを共有する設計です。シリコンのコストを抑えながらコア数を増やすという考えでしたが、コアあたりの性能は期待を下回り、特に浮動小数点を多用する処理で伸び悩みました。FXシリーズは広く批判されました。

同じ時期、AMDはノートPCと低価格デスクトップ向けに、CPUとGPUを一つのチップに統合したLlano APUを出荷しました。APUの方向性は長期的には正しかったのですが、当時の同社の資金は非常に限られていました。

厳しい時期と復活

2012年から2016年にかけて、AMDは大幅なコスト削減と人員削減を行いました。2014年10月にCEOに就任したLisa Suは、中核製品と新しいアーキテクチャに会社を集中させました。以前に複数のチップで高い評価を得ていた設計者Jim Kellerは2012年に入社し、Zenアーキテクチャの開発を率いました。

Zenは、クロックあたりの命令実行数（IPC）を大きく改善し、コア数を増やしやすい構造を採用し、TSMCのより微細な製造プロセスを活かすように設計されました。

ZenとRyzen

2017年3月、AMDはZenをもとにした最初のRyzenを発表しました。競合する同コア数のチップよりずっと安い価格で多くのコアを提供し、ゲーマーやクリエイターにとって再び魅力的な選択肢となりました。2017年6月にはサーバー向けのEPYCが続き、Intelのサーバーチップより多くのコアとメモリ容量を、競争力のある価格で提供しました。

チップレットが経済性を変える

2019年に発表されたZen 2は、もう一つの大きな転機でした。AMDはプロセッサを、コア複合体ダイ（CCD）と呼ばれる複数の小さなダイに分け、メモリコントローラを含む中央のI/Oダイの周囲に配置しました。ダイ同士はInfinity Fabricで接続されています。

利点は歩留まりです。TSMCの7ナノメートルプロセスでは、小さなダイのほうが一つの大きなダイより欠陥のないチップの割合が高くなります。そのためAMDは、プロセッサあたりのコストを下げ、同じCCDをRyzenから高コア数のEPYCまで多くの製品で再利用できました。こうして同社は価格とコア数の両方で強い立場を得ました。

Zen 3、3D V-CacheとZen 4

2020年のZen 3では、CCDのキャッシュ構成を見直し、各コアがより大きなレベル3キャッシュにアクセスできるようにしました。これによりゲーム性能が目に見えて向上しました。2022年にはRyzen 7 5800X3Dが登場し、CCDの上に3D V-Cacheを積層してL3キャッシュを大幅に増やしました。ゲームでの効果により、ゲーマーの間で人気を集めました。

同じく2022年のZen 4はAM5ソケットとDDR5メモリを導入し、プラットフォームの大きな変更となりました。2024年に発表されたZen 5は、クロックあたりの性能と演算スループットを改善しました。

ゲーム機と携帯機器

AMDは複数のゲーム機にチップを供給してきました。2013年のPlayStation 4とXbox Oneは Jaguarアーキテクチャを使用し、2020年のPlayStation 5とXbox SeriesはZen 2を使用しました。これらの長期契約はAMDに安定した収入をもたらしました。2022年に発売されたSteam Deckも、Zen 2 CPUとRDNA GPUを組み合わせたAMDのAPUを採用しており、AMDは携帯型ゲーム機でも存在感を持っています。

AMDの歴史から学べること

まとめ

1975年のライセンス版8080から、1 GHzに到達したAthlon、そしてチップレットで作られたRyzenやEPYCまで、AMDの歴史は、はるかに大きなライバルと競争しながら何度も自らを作り直してきた物語です。AMDのプロセッサを搭載したコンピュータの電源を入れるたびに、私たちはこれらの技術的な決断の恩恵を受けています。