「A12 Bionic」チップのすごさ

69億個のトランジスタ

iPhone XS／XS MaxおよびiPhone XRの心臓部に採用された新しい「アップルA12バイオニック（Apple A12 Bionic）」プロセッサは、世界最大の半導体製造ファウンダリであるTSMC（台湾）で今年になって稼働を始めたばかりの7ナノメートルプロセスラインで生産される最新鋭のモバイルプロセッサです。iPhoneX／8シリーズに搭載されている「A11 バイオニック（A11 Bionic）」プロセッサの43億個を大きく上回る69億個のトランジスタを集積し、基本的なシステム構成は同じながらも全体的に性能を向上させています。

A12バイオニックのCPUコア構成は、A11バイオニックと同じ高性能コア２個と高効率コア４個の組み合わせですが、各CPUコアに直結されているL1キャッシュが従来の32KB（命令キャッシュ）＋32KB（データキャッシュ）から各128KBに増強されており、動作クロックの向上と合わせて高性能コアの性能が最大15パーセント引き上げられています。また製造プロセスの微細化や電力管理機能の見直しによって、高性能コアの消費電力が最大40パーセント、高効率コアの消費電力が最大50パーセント低減されています。さらに、これら２種類６個のCPUコアはシステムの負荷状態に応じて、高効率コア１個のみの動作から６コアすべてのフル稼働まで稼働コア数と動作速度をダイナミックに切り替えるフュージョンアーキティクチャを採用。その結果、A12バイオニックプロセッサでは従来よりピーク性能を引き上げると同時に、アイドル時の消費電力を低く抑えることによって、高性能化とバッテリ動作時間の向上という相矛盾するスペックを高い次元で両立しています。メモリに関しては、iPhone XRはiPhone Xと同じ3GBですが、iPhone XSシリーズはiPhoneとして過去最大容量の4GBに増強されています。

GPUコアには、A10フュージョン以前のPowerVR GPUコアに代わって、アップル独自設計のアーキティクチャが採用されており、A11バイオニックの３コアから４コアに強化されています。さらに、アーキティクチャの改良と動作クロックの向上によりA11バイオニックに比べて最大50パーセントの性能アップを果たしています。A12バイオニックでは新たに、3Dオブジェクトを構成するポリゴンをより細かく分割してなめらかなオブジェクト形状を実現する「テッセレーション」と、3Dオブジェクトの表面の質感表現を向上させる「マルチレイヤーレンダリング」がサポートされ、特に3Dゲームなどにおいて映像のリアリティを向上させることができるようになりました。また、限られたメモリリソースを有効に活用する「ロスレスメモリ圧縮」技術が導入され、メモリ領域や帯域の消費を抑えることが可能になっています。

技術的に大きな可能性

A12バイオニックの最大の目玉と言えるのが、「Bionic」の名の由来でもあるニューラルエンジンの大幅強化です。A11バイオニックのニューラルエンジンはデュアルコアで6000億回／秒の演算能力でしたが、A12バイオニックでは８コアに強化され、その演算能力は5兆回／秒と大幅に向上しています。

ニューラルエンジンの役割は、画像（顔）認識や音声認識といった機械学習をより高速かつ低消費電力で推論処理することにあります。従来このような機械学習はその数学演算の多くをネットワークを介してクラウドなどで分散処理することによって実現されていましたが、その演算処理の大半をA12バイオニックが内蔵するニューラルエンジンで実行することによって、iPhone内部でほとんどの演算処理（エッジサイド処理）が可能となり、通信トラフィックの低減とプライバシー情報に対するセキュリティ向上を実現しています。

ニューラルエンジンは機械学習に必要な数学演算処理を高速に実行することに特化したハードウェアとして設計されており、CPUやGPUから演算処理をオフロードすることで処理を高速化すると同時に、システム全体の負荷を低減して電力消費を抑えることを実現しています。A12バイオニックではその性能が大幅に向上したことから、写真（静止画）のみならず、映像（動画）へもさまざまな処理をリアルタイムで行えるようになっているのが大きな特徴です。

またカメラの捉えた画像を処理する画像信号プロセッサ（ISP：Image Signal Processor）も強化され、深度エンジンの動作が高速化されています。その結果、大幅に強化されたニューラルエンジンとの連係処理によって、ポートレートモードの大幅な強化や、HDR（拡張ダイナミックレンジ）でのビデオ撮影、前面カメラでの手ぶれ補正などが実現されています。

強力なパワーを実感！

A12バイオニックの圧倒的なパワーを実感できるのは、なんといってもカメラ撮影時のイメージ処理でしょう。大幅に強化された画像信号プロセッサとニューラルエンジンの組み合わせによって、iPhone Xを超える豊富かつ高速な処理が可能となっています。

その１つが写真撮影機能で、新しく採用された「スマートHDR」では一度のシャッター操作で自動的に露出やタイミングの異なる複数の写真を撮影し、シャドウやハイライトを適切なバランスで合成し鮮明かつリアリティにあふれた一枚の写真をリアルタイムに合成します。HDR機能はiPhone 4以降でサポートされている機能ですが、スマートHDRはより明暗差が強い場所でも白飛びや黒つぶれなく、ディテール豊かに表現できるようになりました。また「ボケと深度コントロール」機能が搭載され、撮影後にも背景のぼかし具合を調整できるようになっています。この機能は驚くことにデュアルカメラやトゥルーデプス（TrueDepth）などの深度測定機能を持たないシングルカメラのiPhone XRでも使用できますが、これはニューラルエンジンを活用したセグメンテーションデータからの深度マッピング生成機能によるものです。もちろんニューラルエンジンの最大の見せ場であるフェイスID（Face ID）も強化されています。従来以上に高速かつ正確に顔認証機能が動作し、ユーザが帽子を被っていたりひげを生やしていても本人と認識する精度を獲得しています。

A12バイオニックの強化されたGPUと画像信号プロセッサ、そしてニューラルエンジンの組み合わせは、ARアプリケーションのリアリティを飛躍的に向上させます。ARアプリケーションではカメラが捉えた現実世界の構造を解析・把握し、そこにCGで作成された3Dオブジェクトを配置することで、シームレスかつリアルタイムに現実世界と仮想世界のイメージ合成を行うことを求められます。前者には強化された画像信号プロセッサとニューラルエンジンが、後者には高速化されたGPUが活躍し、従来以上にリアリティにあふれたAR体験をユーザに提供できるようになりました。これらの機能はコアML（Core ML）やAR Kit、メタル2（Metal 2）などのAPIを通じてデベロッパに解放されており、より魅力的なアプリケーションの開発が可能になっています。

次世代技術を大幅強化

最近ではスマートフォンに搭載されるプロセッサの性能が向上し、ハイエンドモデルではパソコンに匹敵する演算能力を持つものも増えています。iPhone XSの「ギークベンチ（Geekbench）」はシングルコア性能が約4700、マルチコア性能が約１万と、MacBookやデュアルコアのMacBookプロに匹敵するベンチマークを叩き出しています（28ページ参照）。この性能はアンドロイドデバイスを含めたあらゆるスマートフォンと比較してもトップクラスですが、従来のA11バイオニックからの性能向上はわずかとなっています。さらにCPU性能を引き上げるには高性能コアの数を増やす（クアッドコア化）方法もありますが、消費電力を大幅に増大させバッテリ動作時間を縮めるリスクがあります。

そこで今回アップルは、A12バイオニックにおいてCPUそのものではなくニューラルエンジンや画像信号プロセッサ、GPUなどのコプロセッサの強化を徹底しています。A12バイオニックの総トランジスタ数は、A11バイオニックの1.5倍に増強されていますが、そのほとんどがコプロセッサの性能強化に振り向けられています。汎用プロセッサであるCPUとは異なり、コプロセッサはその用途がある程度限定されている反面、目的の処理を高速かつ低消費電力、つまり非常に高いエネルギー効率で実行することができます。その結果、CPUは画像処理や機械学習といった重い処理をコプロセッサにオフロードすることで、より多くのパワーを他の用途に向けることができます。

そして今回もっとも強化されたコプロセッサが、ニューラルエンジンです。ニューラルエンジンはA11バイオニックで初めて搭載された機械学習向けの推論エンジンですが、A12バイオニックではその性能を最大９倍まで引き上げています。アップルはこのニューラルエンジンを本格的に活用することで、従来のCPUによるソフトウェア処理が不得手とするさまざまな認識技術をニューラルエンジンに処理させることを目指しているようです。アップルは今回、AR／VRや画像／音声認識といった新分野の処理を実行するコプロセッサを大幅に強化することで、新しい時代のアプリケーションが求める性能を限られたバッテリ容量で実現することを目指し、A12バイオニックの強化ポイントを選定したといえるでしょう。