コンピューターにおける ARM アーキテクチャとは何ですか? なぜ重要なのですか?

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ARMアーキテクチャは、シンプルなガジェットの動力源から、ノートパソコン、デスクトップパソコン、サーバーへと進化を遂げてきました。Androidスマートフォン、iPhone、Raspberry Pi、あるいは最近のMacを使ったことがあるなら、意識していなくても、すでにこの設計に基づいたプロセッサを使っていることになります。

以下では、コンピュータにおけるARMアーキテクチャとは実際どのようなものなのか、その仕組み、起源、そしてIntelやAMDのx86アーキテクチャと比較してなぜ状況を変えつつあるのかを詳しく見ていきます。また、RISC-Vとの関係、Windows、macOS、Linuxにおける役割、そして主要メーカーがこのタイプのCPUを採用している理由についても解説します。

ARM アーキテクチャとは何ですか? また、それは何に基づいていますか?

ARMについて話すとき、私たちはRISC（Reduced Instruction Set Computing）命令セットアーキテクチャのことを指しています。これは、低消費電力でありながらますます高性能化しているプロセッサ向けに設計されており、小型マイクロコントローラからパーソナルコンピュータ、データセンターまで幅広く使用されています。

x86/x86-64などのCISCアーキテクチャ（IntelとAMDのプロセッサの違いを参照）とは異なり、ARMはよりシンプルでコンパクト、かつ高効率な命令セットを採用しています。これにより、トランジスタ数が少なく、内部構造が簡素化され、消費電力も大幅に低減されたプロセッサが実現します。これは、超軽量モバイルデバイスやノートパソコンにとって重要な要素です。

重要な点は、ARM Holdings（現Arm Ltd.）はプロセッサを製造していないということです。同社はアーキテクチャとコアを設計し、その技術をサードパーティ（Apple、Qualcomm、Samsungなど）にライセンス供与します。サードパーティは、独自のGPU、メモリコントローラ、モデム、その他のコンポーネントを追加することで、その技術を自社のSoCに統合します。

実際には、これはARMプロセッサには数百種類ものバリエーションが存在し、それぞれ動作や性能が大きく異なることを意味します。しかし、それらはすべて同じ命令セットをベースとしているため、互換性のあるオペレーティングシステムやアプリケーションの開発が可能となっています。

ARMの略歴：Acornから市場支配まで

ARMの物語は1983年に始まる。当時、Acorn Computers社は、自社の多くのパーソナルコンピュータに搭載されていたMOS 6502チップでの経験を基に、新しいプロセッサを開発することを決定した。このプロジェクトを率いたのは、ソフィー・ウィルソンとスティーブ・ファーバーだった。

彼らの目標は、マイクロコードを使わず、明確なRISC哲学に基づき、高度でありながら内部構造が非常にシンプルなプロセッサを開発することだった。1985年に最初のプロトタイプであるARM1の設計を完了し、1986年にはARM2が登場した。これはAcorn Archimedesなどのコンピュータで使用された最初の商用バージョンである。

ARM2は、32ビットのデータバス、26ビットのアドレス空間、そして16個の32ビット汎用レジスタを備えていました。これらのレジスタのうち1つはプログラムカウンタ（PC）として使用され、一部のビットはステータスフラグに使用されていました。技術的には非常にシンプルな構成で、トランジスタ数は約3万個、キャッシュメモリは搭載されていませんでした。

このシンプルな設計により、当時の消費電力は驚くほど低く抑えられ、性能はIntel 286を凌駕した。後継機種であるARM3では、4KBの小型統合キャッシュが追加され、メモリへの反復アクセスが大幅に改善された。

80年代後半、アップルはエイコーン社と協力してARMコアの新バージョンの開発に着手した。他のメーカーからの懸念を避けるため、1990年に独立企業であるアドバンストRISCマシンズ（ARM）が設立され、次世代プロセッサの設計とライセンス供与を担うことになった。

この段階では、1991年にARM6が登場し、AppleはNewton（ARM 610）に、AcornはRiscPCに採用した。コア部分は驚くほどシンプルで、トランジスタ数はわずか3万5000個だったため、様々な周辺機器との統合やカスタムシステムの構築が可能だった。

ARMがコンシューマー市場に大きく進出したのは、ARM7TDMIの登場によるもので、これは数百万台の携帯電話、携帯ゲーム機、組み込みシステムに搭載されている。同時に、デジタル（DEC）は設計のライセンスを取得し、233MHzで動作し、消費電力が約1Wという、効率性において画期的なStrongARMを開発した。

時を経て、この技術はインテルの手に渡り、インテルはこれをIntel i960ファミリーやXScaleソリューションに統合した。一方、フリースケール、IBM、テキサス・インスツルメンツ、任天堂、フィリップス、サムスン、STマイクロエレクトロニクス、アトメルといった他の巨大企業もARMアーキテクチャのライセンスを取得した。

現在、世界の32ビットプロセッサの約4分の3はARMコアを搭載している。これは、ハードディスクドライブ、ルーター、玩具、自動車、テレビ、携帯電話、タブレット、ノートパソコン、そしてますます普及が進むパーソナルコンピュータやサーバーなど、膨大な数の製品にARMコアが採用されていることを意味する。

主なARMプロセッサフ​​ァミリー

ARMは数十年にわたり、さまざまなファミリーやバージョンのアーキテクチャ（ARMv1、v2、v3など）をリリースしており、それぞれパフォーマンス、メモリ容量、キャッシュ、浮動小数点サポート、および追加機能が改善されている。

ARM1、ARM2、ARM3（ARMv1およびARMv2）といった初期世代は、ARMコプロセッサを搭載したBBC Micro、Acorn Archimedes、RiscPCなどのコンピュータ向けに、非常にシンプルな32ビットCPUを提供することに重点を置いていました。これらのチップには完全なMMUがなく（場合によっては外部MEMCを使用）、キャッシュもほとんど、あるいは全く搭載されていませんでした。

ARM6（ARMv3）ファミリーでは、完全な32ビットアドレッシングへの飛躍が実現し、ARM600やARM610などのコアが組み込まれ、中には統合キャッシュや浮動小数点コプロセッサ専用のバスを備えたものもある。

その後、 16ビットThumb命令セット、3段パイプライン、キャッシュ、MMU、MPUを搭載したバリアントをサポートするARM7およびARM7TDMI（ARMv3およびARMv4T）が登場しました。これらのコアは、ゲームボーイアドバンス、ニンテンドーDS、Apple iPod、NXP、Atmel、Psionなどの組み込みシステムといった人気製品の基盤となっています。

並行して、 DECとの共同開発の成果であるStrongARM（ARMv4）ファミリーが登場した。これは、当時としては比較的大きなL1キャッシュと完全なMMUを備え、PDAや小型コンピュータ（Apple Newton 2×00、iPAQ、Zaurusなど）向けに、ワットあたりのMIPS値を高めることに重点を置いている。

その後、ARM9、ARM9E、ARM10Eシリーズ（ARMv4TおよびARMv5）では、より深いパイプライン、DSP命令の改良、Thumbのサポート範囲の拡大、ハードウェアでJavaバイトコードを実行するJazelle機能、そしてより大容量で構成可能なキャッシュが導入されました。これらのコアは、携帯電話、デジタルカメラ、ネットワーク機器、携帯ゲーム機、その他無数のシステムオンチップ（SoC）で使用されています。

重要な分野の一つに、インテルが買収したXScale（ARMv5TE）がある。これは、高周波、大容量のL1/L2キャッシュ、そして場合によってはRAIDアクセラレータやI/O向けの非常に特殊な機能を備えたアプリケーションプロセッサおよびネットワークプロセッサ向けに設計されている。

ARM11 （ARMv6）は、最大9段のパイプライン、SIMDサポート、Thumb-2、Jazelle DBX、DSPの改良、そしてTrustZoneなどのセキュリティ技術を導入しました。これらのカーネルは、初代iPhone、初期のiPod touch、一部のNokia Nシリーズ携帯電話、ゲーム機、初代Raspberry Piなど、数々の有名デバイスで使用されています。

現代における大きな革命は、Cortexファミリー、特にARMv7-A以降のアプリケーションプロファイルによってもたらされました。Cortex-A5、Cortex-A8、Cortex-A9、そしてそれらのマルチコア版（MPCore）といったコアは、スマートフォン、タブレット、スマートテレビ、軽量ノートパソコンにおける事実上の標準となりました。

これらのコアは、スーパースカラ実行、ディープパイプライン、NEON（SIMD）、浮動小数点演算用のVFP、高度なThumb-2、およびTrustZoneを組み込んでいます。これらは、テキサス・インスツルメンツのOMAPシリーズ、サムスンのExynos、NVIDIAのTegra、クアルコムのSnapdragon、AppleのA4/A8およびその後継機種などのSoCに搭載されています。

組み込みシステムおよびマイクロコントローラ分野では、Cortex-R（リアルタイムプロファイル）およびCortex-M（マイクロコントローラプロファイル）ファミリーが際立っており、応答時間の予測可能性と効率性が最優先される重要なシステム、産業制御、自動車、および民生用電子機器向けに設計されたCortex-R4、Cortex-M0、M1、M3、M4などのバリエーションがあります。

ARM 命令セット: RISC、条件付き命令、Thumb モード

ARM命令セットは、純粋なRISCとしてゼロから設計されました。つまり、シンプルで固定サイズの命令で構成され、多くの場合、1クロックサイクルで実行可能です。重要なのは、コンパイラが少数の極めてアトミックな命令で効率的なシーケンスを生成することです。

非常に特徴的な点として、従来の32ビットモードでは、各命令の上位4ビットに条件コードが含まれています。これにより、事実上すべての命令を条件付き（特定のフラグが満たされた場合にのみ実行される）にすることができ、ジャンプ命令の必要性を減らし、条件が頻繁に発生する小さなコードブロックにおけるパイプラインバブルの発生を防ぎます。

さらに、ARMでは算術演算や論理演算とレジスタシフトおよびローテーションを単一の命令に組み合わせることができます。例えば、C言語の「a += (j << 2);」に相当する処理は、シフトされた値をレジスタに加算する単一のARM命令として表現でき、命令数とメモリアクセス回数を削減できます。

もう一つの利点は、アドレスセットがプリインクリメントモードとポストインクリメントモード、相対アドレッシング、その他の柔軟なアドレッシング方式をサポートしている点です。これらは、RISCとみなされる他のアーキテクチャではあまり見られない特徴です。これらのすべてが、命令総数の削減とサイクルあたりのパフォーマンス向上に貢献します。

従来のアーキテクチャでは、プログラマから見える32ビットのレジスタが16個（R0～R15）定義されています。原則としてこれらは対称的ですが、R15はプログラムカウンタ（PC）として使用され、R14は通常リンクレジスタ（サブルーチンや例外の戻りアドレス）として機能し、R13はスタックポインタとして使用されます。

ARMには、ARMモード（32ビット命令）とThumbモード（16ビット命令）という2つの主要な実行モードがあります。ARMモードはより強力な処理能力（より完全な命令セット）を提供しますが、生成されるコードサイズは大きくなります。一方、Thumbモードは各命令のサイズを半分にすることでコード密度を向上させ、多くの場合、メモリバス幅の狭いシステムでのパフォーマンスを向上させます。

Thumbは、ARMプロセッサで最も頻繁に使用される命令セットのサブセットです。これを最初に搭載したプロセッサはARM7TDMIで、それ以降のほぼすべてのファミリー（ARM9、XScale、Cortexなど）は、Thumbまたはその進化版であるThumb-2をサポートしています。

さらに、Jazelle DBXという技術があり、これは特定のコア（ARM926EJ-Sなど、名前に「J」が含まれるコア）上でJavaバイトコードをハードウェア上で直接実行できるようにするものです。この機能は、リソースが限られたデバイス上でJava仮想マシンを高速化することを目的としていました。

ARMアーキテクチャの主な利点

ARMの人気は偶然ではない。エネルギー効率、設計の柔軟性、コスト、そしてほとんどの用途に十分な性能といった要素が組み合わさっているからである。

一方、ARMコアはRISCアーキテクチャを採用しており、命令セットが比較的小さく、マイクロコードも複雑ではないため、同等のx86設計に比べてはるかに少ないトランジスタで製造できます。トランジスタが少ないということは、消費電力と発熱量が少なくなり、より小型で安価なチップを実現できることを意味します。

これにより、ARMプロセッサは最小限の消費電力で非常に優れたパフォーマンスを発揮することが可能になり、これはバッテリー駆動または熱制限のある携帯電話、タブレット、超軽量ノートパソコン、IoTデバイス、組み込みシステムにとって非常に重要な点です。

ライセンスモデルもARMにとって有利に働いている。ARMは自社のコアの知的財産権をあらゆる種類のメーカーに販売しており、メーカーはそれらをカスタマイズしたり、他のブロック（GPU、モデム、AIアクセラレータ）と組み合わせたりして、自社製品に完全に適合したSoCを作成することができる。

これにより、性能と効率が継続的に向上し、超低価格のマイクロコントローラーからサーバー向けの64ビットCPUまで、ほぼあらゆるニッチ市場に対応する非常に幅広い製品群を提供する、巨大なメーカーのエコシステムが構築される。

要約すると、ARMは低消費電力、手頃な価格、優れたコード密度、成熟したツール、そして継続的に向上する十分なパフォーマンスを提供します。ハイエンドゲーミングデスクトップにおけるx86の生のパフォーマンスレベルに常に達するわけではありませんが、ほとんどのシナリオではその必要はありません。

32ビットおよび64ビットARM：最近の進化

初期のARM設計は32ビットであり、数十年にわたり組み込み機器およびモバイル機器市場を席巻しました。しかし、2011年以降、ARMはネイティブ64ビットサポートを備えたアーキテクチャ（ARMv8以降）を導入し、より負荷の高いワークロードへの道を開きました。

ARMにおける64ビットアーキテクチャへの移行は、RISCの効率性を犠牲にしたものではなく、むしろ最新の命令セットのより洗練された設計によって実現されたものです。これにより、より大きなメモリアドレスと拡張精度演算が可能になり、これはハイエンドのモバイルデバイスはもちろんのこと、コンピュータやサーバーにおいても既に不可欠な要素となっています。

x86と比較して複雑さが軽減されていることは依然として利点である。64ビット版であっても、ARMプロセッサは同じタスクを実行するために必要なトランジスタ数が少なく、結果として製造コストと消費電力の削減につながる。

パーソナルコンピュータの分野では、これはApple Silicon（M1、M2、M3など）やQualcommの新しいSnapdragon X Eliteといったプロセッサに具体化されており、高性能コアと高効率コア、そして一般的なタスクにおいて多くのx86ノートパソコンに匹敵する統合グラフィックスを組み合わせている。

コンピューター、ラップトップ、その他のデバイスにおけるARMの使用

従来、ARMプロセッサは、低消費電力が重要であり、デスクトップ並みの処理能力を必要としないスマートフォン、タブレット、スマートテレビ、ルーター、携帯ゲーム機、ガジェット向けに用いられてきた。

しかし、状況は急速に変化している。一方では、Raspberry Piのようなデバイスが、適切なオペレーティングシステム（通常はLinux）を搭載すれば、ARMシステムがオフィスワーク、ブラウジング、簡単なプログラミングなどに適したデスクトップマイクロコンピュータやミニPCとして完璧に機能することを示している。

また、 NVIDIA Tegra X1のような、より高性能なARMベースの製品も登場しています。NVIDIA Tegra X1は、NVIDIAのShield TVや、とりわけ任天堂のSwitchに採用されており、グラフィック性能と消費電力のバランスが非常に重要となります。

高度なタブレットの分野において、AppleはAシリーズ（そして後にMシリーズ）チップによって、適切に設計されたARM SoCが、強力なファンを必要とせずに、クリエイティブなアプリケーション、オフィスワーク、そして負荷の高いマルチタスクにおいて、驚異的なパフォーマンスを発揮できることを証明した。

マイクロソフトは、Surface Pro XやSurfaceシリーズの他のバリエーションなどのデバイスにARMプロセッサを搭載し、軽量で静音性に優れ、LTE接続機能を内蔵したデバイスによって、モバイルワークにおいて従来のノートパソコンと競合できる製品を目指している。

一方、GoogleはChromebookのエコシステムにおいてARMを積極的に推進している。ChromiumとAndroidをベースとするChrome OSは、このアーキテクチャに最適であり、手頃な価格で軽量、かつバッテリー駆動時間の長いノートパソコンを提供している。多くのChromebookメーカーは、バッテリー駆動時間を最大限に延ばし、コストを削減するために、まさにARM SoCを採用しているのだ。

ARM およびオペレーティング システム: Windows、macOS、Linux など

ARMというとモバイル機器だけを連想する人が多いが、主要なオペレーティングシステムのほとんどは、組み込みシステムだけでなく、デスクトップ環境やサーバー環境においても、すでにこのアーキテクチャを十分にサポートしている。

モバイル分野では、AndroidとiOSは長年にわたり、その効率性の利点を活かしてほぼARMプロセッサのみで動作してきた。AppleもApple Siliconへの移行に伴い、この理念をデスクトップおよびノー​​トパソコンにも拡大し、Intel x86プロセッサを廃止した。

ARMプロセッサを搭載したMacでは、AppleはRosetta 2という変換システムを提供しており、Intel向けにコンパイルされたアプリケーションを驚くほど高いパフォーマンスで実行できるようにする。これにより移行が大幅に促進され、現在では主要なアプリケーションのほぼすべてにネイティブARM版が存在する。

Microsoftのエコシステムにおいて、WindowsはARMへの様々なアプローチを模索してきた。Windows CEとWindows Embedded Compactは、組み込み分野で長年にわたりARMv5、v6、v7をサポートしてきた。その後、初代SurfaceのようなARMタブレット向けにWindows 8 RTが登場したが、ソフトウェアの制約により、その成果は限定的だった。

Windows 10とWindows 11は、この点をさらに発展させ、x86アプリケーションエミュレーションを備えたARM版を提供しています。Windows 11では、エミュレーションとパフォーマンスが大幅に向上していますが、一部の従来のデスクトップソフトウェアとの互換性の問題は依然として残っています。

一方、LinuxやUNIX系のシステムはARMを非常に積極的に採用している。Debian、Ubuntu、Arch Linux、Kali、Manjaro、Gentoo、Oracle Linuxといったディストリビューションは、Raspberry Piをはじめとする様々なボードに対応したARM SoCの公式イメージを提供している。

BSD系では、FreeBSD、NetBSD、OpenBSDがいずれも複数のARMプラットフォームをサポートしており、RISC iXのような歴史的なシステムはARM2/ARM3ベースのAcornマシン上で動作していました。さらに、Solarisやその他のUNIX系OSにも、このアーキテクチャに対応した実装が存在します。

リアルタイムOSおよび組み込みOSの分野では、ARMはAndroid（組み込みデバイスの場合）、Windows CE/Embedded、.NET Micro Framework、ChibiOS/RT、FreeRTOS、eCos、Integrity、Nucleus、QNX、RTEMS、ThreadX、VxWorks、uTasker、MQXなど、数多くのシステムで採用されています。現代のRTOSはほぼ全て、少なくとも1つのARMプロファイルをサポートしているため、そのリストは膨大です。

Intel、ARM、そしてbig.LITTLEアーキテクチャの背後にあるインスピレーション

従来のデスクトップおよびノー​​トパソコン用プロセッサ、特にIntelとAMDのプロセッサは、長年にわたり、より大型で複雑なコアを備えたCISC x86/x86-64アーキテクチャを採用し、強力な電源と専用の冷却システムによって駆動されてきた。

それに対し、ARMの携帯電話や組み込みSoC向けの設計では、長年にわたりbig.LITTLEタイプのヘテロジニアスアーキテクチャが採用されており、同じチップ内に強力なコアと効率的なコアを組み合わせることで、ワークロードに応じて消費電力を調整している。

このアイデアは、高性能コア（Pコア）と高効率コア（Eコア）を単一パッケージに統合した、インテルの新世代ハイブリッドCoreプロセッサに直接的な影響を与えた。これらのプロセッサはARMアーキテクチャを採用していないものの、ARMが導入したアプローチを踏襲することで、全体的な効率とパフォーマンスの向上を実現している。

直接的な競合という点では、ARMは最近まで非常に特殊なデスクトッププロジェクトやAppleのエコシステムに限定されていました。しかし、Snapdragon X Eliteをはじめとする同様のプロジェクトにより、Qualcommや他のメーカーは、主流のノートパソコン市場においてx86に挑戦しようとしています。

ARMが主流PC市場に参入する上で最大の障害となるのは、依然としてソフトウェアの互換性であり、ゲーム分野においては、x86向けに最適化されたGPUとドライバへの依存である。AMDとIntelが専用グラフィックカードと高性能CPUの分野で優位性を維持する限り、ゲーム業界はx86に大きく依存し続けるだろう。

ARM vs RISC-V: 2つの異なるRISCアーキテクチャ

近年、多くの面でARMと直接競合するRISCアーキテクチャであるRISC-Vが、大きな注目を集めている。RISC-VはARMと同様に低消費電力デバイス向けに設計されているが、重要な点で異なっている。それは、オープンでライセンスフリーのISAであるという点だ。

x86-64やARMを使用する場合、Intel、AMD、またはArm Ltd.にロイヤリティを支払う必要があるのに対し、RISC-Vプロセッサは、命令セットの使用料を支払うことなく、どの企業や個人でも設計、製造、販売できる。このため、RISC-Vは、技術的独立とコスト削減を目指す国やメーカーにとって特に魅力的な選択肢となっている。

現在、純粋な機能面では、ARMとRISC-Vの両方とも64ビット拡張機能を備え、完全なオペレーティングシステムをサポートしています。ARMは既にAndroid、iOS、macOS、Linuxで広く普及していますが、RISC-VはAndroid（Googleが最上位アーキテクチャとして推進している）やUbuntu、FedoraなどのLinuxディストリビューションで公式サポートを受け始めています。

メーカーのサポートという点では、ARMは依然として圧倒的な優位性を保っている。現在入手可能なスマートフォン、タブレット、スマートデバイスのほぼすべてがARMを採用している一方、現在のRISC-Vチップのほとんどは、開発、マイクロコントローラ、および非常に特殊な製品向けに特化している。

しかし、価格と設計の自由度という点では、RISC-Vが明らかに優位に立っている。ライセンス費用がかからないため、超低価格または高度にカスタマイズされた製品を容易に開発できる。これが、中国やロシアといった国々が自国のプロジェクトにこのアーキテクチャを採用することに関心を示している理由である。

もし現時点で「勝者」を選ぶとしたら、エコシステム、利用可能なソフトウェア、成熟度においてARMが依然として優位に立つだろう。しかし、RISC-Vは将来有望な競合相手であり、特に低価格デバイス、IoT、ルーター、エントリーレベルのPC、低価格スマートフォンといった分野においてその可能性は高い。

大局的に見ると、ARMアーキテクチャは現代コンピューティングの礎の一つとして確固たる地位を築いています。私たちが日常的に使用する携帯電話から、超軽量ノートパソコン、Chromebook、Apple Silicon搭載Mac、そして膨大な数の組み込み機器まで、あらゆるものにARMアーキテクチャが採用されています。RISCの理念、エネルギー効率と十分な性能の両立、ライセンスモデル、そして幅広いオペレーティングシステムのサポートといった要素が、RISC-Vのような新しい製品がCPUの世界でオープンな代替手段として台頭し始めているにもかかわらず、ARMがこれほど多くの分野で圧倒的なシェアを誇っている理由を説明しています。