Zhaoxin KaiXian x86 CPUのテスト：中国製チップの台頭

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中国に拠点を置くZhaoxin Semiconductor（略称「百万コア」）は、謎に包まれたLuJiaZuiマイクロアーキテクチャをベースとし、TSMCの16nm FinFETプロセスで製造された、8コアのKaiXian KX-U6780Aプロセッサを発表しました。このアーキテクチャを採用したチップは、デスクトップPCからサーバーまで幅広い中国製チップ群に新たなレベルのパフォーマンスをもたらしますが、KX-6000シリーズはゲーミングマシン、PC、オフィス機器向けとして開発されています。本日、ZhaoxinのHX002EH1デモボードでこのチップをテストし、最高のゲーミングCPUリストにランクインできるかどうかを検証しました。

Zhaoxinは確かにあまり知られていないが、特注のx86プロセッサを設計する数少ない企業の一つである。つまり、同社はAMDやIntelといった主要チップメーカーと競合していることになる。特許で保護されたx86命令セットと、厳格なライセンス契約によって長らくx86チップメーカーはIntel、AMD、VIAの3社に絞られてきたことを考えると、これは意外なことだ。詳細はほとんど明らかにされていないが、ファブレス企業のZhaoxinは、上海市政府（初期資本の80%を投資）と台湾のVIA Technologies（20%を出資）の合弁企業である。このパートナーシップ構造により、中国政府が管理する企業が、ライセンス契約の法的範囲内でx86プロセッサを設計できるとされている。 

しかし、既存の二大メーカーの独占状態を打破するのは容易ではありません。Zhaoxin KX-6000シリーズについて現在わかっていることを簡単に確認し、その後、テスト結果を見てみましょう。 

中国設計チップへの道

中国は圧倒的に世界最大のプロセッサ輸入国であり、その大部分は完成品として輸出されています。しかし、中国は長年にわたり、西側諸国からの経済への影響からの独立を目指してきました。中国が自国で生産するシリコンは約16%に過ぎず、その生産量の半分だけが中国の権益によって支配されています。そのため、中国が西側諸国のCPU生産に依存していることは、封鎖や関税が発生した場合、中国経済にとって戦略的な負担となります。また、チップに潜在的に悪質なバックドアが組み込まれている場合の影響も懸念されます。今日の戦争は、戦闘機から戦艦、潜水艦に至るまで、あらゆるものに搭載されている高性能チップによって勝利を収めていることは周知の事実です。

そのため、中国は1980年代初頭に自国製プロセッサの開発に着手し、最終的には2025年までに中国国内で使用されるチップの70%を自国で製造するという目標を掲げた「中国製造2025」キャンペーンへと発展しました。この取り組みは米中貿易戦争が始まるずっと前から始まっており、米国は長年にわたり、買収や合併を通じて中国がチップ製造のノウハウや設備を獲得しようとする試みを阻止してきました。この状況は最近になってさらに深刻化しています。SMICをはじめとする中国のファウンドリーは発展を続けていますが、これらのファウンドリーが最先端ノードに移行できるようになったとしても、堅牢なチップ設計が必要になるでしょう。 

数々の買収が阻止され、自国工場向けの主要ツールを購入できない状況にもめげず、中国は複数の官民パートナーシップに触手を伸ばし、国産設計の促進を図った。2016年、AMDは中国資本が出資する企業であるHygonと提携し、AMDのZenアーキテクチャをベースとしたDyhanaプロセッサを製造した。この合弁会社THATICは、貿易戦争の激化に伴い、国家安全保障の名の下に米国によってブラックリストに載せられた。 

政府の投資と市場における優遇措置に後押しされ、他の中国企業も参入してきましたが、いずれもx86アーキテクチャを採用しています。Huaweiは、デスクトップPC OEM向けマザーボードシリーズ向けにKunpeng 920 Armv8プロセッサを開発し、Phytium TechnologiesはARMチップを出荷しています。これは、ARM版Windowsの台頭を考えると重要なポイントです。また、中国企業のLoongsonも、x86エミュレーションを活用したMIPS設計の進化を続けています。

しかし、ネイティブx86-64プロセッサの普及率に代わるものはなく、Zhaoxinは広く採用されています。LenovoとHPはどちらも中国市場向けにZhaoxinベースのシステムを投入しており、LenovoはKaitianデスクトップPC、Zhaoyang FF03ラップトップ、そしてサーバー製品を提供しています。HPもKX-U6780Aプロセッサを搭載したHP 268 Pro G1 MTなど、製品ラインを展開しています。 

中国は貿易戦争の結果として新たに導入された「3-5-2」政策の実施を目指しており、これらの大手OEMメーカーに加え、中国国内の多数の小規模メーカーの支援を得ることは非常に重要です。この政策では、すべての政府機関および公共機関が2022年までにハードウェアとソフトウェアを100%中国製に切り替えることが義務付けられており、初年度に外国産機器の30%、翌年に50%、そして3年目には残りを廃止することが定められています。つまり、Zhaoxin KX-U6780Aは比較的早期に一定の成功を収める可能性が高いということです。 

Zhaoxin KX-6000シリーズの仕様

Zhaoxinはチップ設計の新参者ではありません。同社は2013年に設立され、最初のCPUコアはVIA Technologiesが1999年に買収したCentaur社製のものでした。Zhaoxinの第一世代ZhangJiangコアは、CentaurのIsaiah（CNとも呼ばれる）マイクロアーキテクチャをわずかに改良したバージョンに基づいていると考えられています。Zhaoxinはその後、独自のWuDaoKauアーキテクチャを開発しました。これはIsaiahを全面的に再設計したもので、現在のx86-64 LuiJiaZuiマイクロアーキテクチャへと進化しました。

Zhoaxinチップの最初の4つのバージョンはHLMCの28nmプロセスで製造されており、完全に中国製でした。ZhoaxinのKX-6000シリーズは台湾で生産されているTSMCの16nmプロセスに移行し、次世代チップは7nmプロセスでDDR5とPCIe 4.0を搭載する予定です。ZhaoxinがKX-7000シリーズチップに、7nmプロセスを計画している中国の新興ファウンドリであるSMICを採用するか、TSMCを採用するかはまだ不明ですが、後者の方がはるかに可能性が高いでしょう。 

残念ながら、LuiJiaZuiのアーキテクチャについてはほとんど情報がありません。このプロセッサがスーパースケーラ・アウトオブオーダー・マルチイシュー・アーキテクチャを採用していることは分かっていますが、ブロック図やその他の詳細は公開されていません。このアーキテクチャは、AVX（256ビット幅）およびSSE 4.2命令セットに加え、VMX仮想化（Intel VT-Xと互換性あり）をサポートしています。これまで、ZhoaxinのチップはZX-100Sチップセットに内蔵された外付けグラフィックプロセッサに依存していましたが、KX-6000は同社独自の統合グラフィックエンジンを初めて搭載したチップです。 

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ヘッダーセル - 列 0	KX-U6880A	KX-U6780A	KX-6740A	KX-6640A
プロセス	TSMC 16nm	TSMC 16nm	TSMC 16nm	TSMC 16nm
コア/スレッド	8/8	8/8	4/4	4/4
ベース/ブースト（GHz）	3.0GHz	2.7GHz	2.7GHz	2.6GHz
L2 / L3 キャッシュ	8MB / -	8MB / -	4MB / -	4MB / -
PCIeサポート	PCIe 3.0 x16	PCIe 3.0 x16	PCIe 3.0 x16	PCIe 3.0 x16
メモリサポート	デュアルチャネル DDR4-2666	デュアルチャネル DDR4-2666	デュアルチャネル DDR4-2666	デュアルチャネル DDR4-2666
メモリ容量	64GB	64GB	64GB	64GB

70Wチップは、35mm x 35mmのハンダ付けされたHFCBGAパッケージで提供されるため、チップと一緒にマザーボードを購入する必要があります（ソケットには接続できません）。KX-6000シリーズには、4コアと8コアの2つのバージョンがあります。 

フラッグシップモデルのKX-U6880Aは、最大3.0GHzで動作する8コアを搭載しており、前世代モデルより1GHz高速化されています。KX-U6780Aは2.7GHzで動作し、フラッグシップモデルと同様に8コア8スレッドです。KX-6000シリーズは、32KBのL1データキャッシュと命令キャッシュを8スライス、さらに4MBのL2キャッシュを2スライスに分割して搭載しています。L1キャッシュとL2キャッシュは8ウェイ・セットアソシエイティブ方式で、L3キャッシュは搭載されていません。

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これらのチップは、ブースト周波数と同時マルチスレッディング（SMT）という2つの主要技術に関して、やや初歩的なものです。IntelやAMDとは異なり、KX-6000チップにはSMT/ハイパースレッディングがないため、スレッド化されたワークロードではパフォーマンスが若干低下します。また、ブースト機能も搭載されていないため、Windowsの高電力またはバランス電力プロファイルを選択した場合、ワークロード、電力、温度条件（自己保護のための通常の温度スロットリングメカニズムを除く）に関係なく、2.7GHzで動作します。つまり、冷却性能を向上させてもパフォーマンスの向上は期待できず、オーバークロックもできません。

省電力機能を使用すると、上記のブーストテストで示したようにPステート遷移が可能になりますが、これは70Wの電力バジェットを超えてパフォーマンスを拡張するのではなく、省電力化を目的として設計されています。興味深いことに、第1世代のZX-Cチップにはブースト機能がありましたが、この機能はアーキテクチャの新しいバージョンでは廃止されたようです。これは明らかに、スレッド数の少ないアプリケーションではパフォーマンスに影響を及ぼします。このチップはC1～C4のCステートもサポートしています。 

Zhaoxinは、このチップがデュアルチャネルDDR4-2666（ECCなし）をサポートしていると記載していますが、当社のSpartan開発ボードではメモリ周波数とタイミングの操作ができず、XMPプロファイルもサポートされていません。これらのオプションは出荷時に有効になっている可能性がありますが、現時点では、このボードはデフォルトのSPDプロファイルのみを使用しています。つまり、より高い周波数向けにカスタマイズされたプロファイルを備えた高価なキットを購入する必要があります。Zhaoxinは、このチップが将来的にDDR4-3200をサポートする予定であるとしていますが、これはまだ開発段階です。  

このプロセッサは16レーンのPCIe 3.0を搭載し、アーキテクチャは非公開（VIAのパートナーであるS3 GraphicsのIPベースと思われる）の統合グラフィックエンジンを搭載しています（編集：Zhaoxin氏は後に、このグラフィックスは独自のソリューションであると明言しました）。DX11、OpenCL 1.1、OpenGL 3.2をサポートし、ハードウェアアクセラレーションによるビデオエンコードとデコード機能を備えていることは分かっていますが、詳細は不明で、GPUモニタリングアプリケーションではアーキテクチャコンポーネントに関する詳細情報を入手できません。統合グラフィックはDisplayPort、eDP、HDMI、VGAの各インターフェースをサポートし、4K解像度で2画面同時出力が可能です。 

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Dota 2 (最低忠実度設定)	1280x720	1920x1080
Zhaoxin KX-U6780A DDR4-2133 (HP ドライバー)	19fps	17fps
Zhaoxin KX-U6780A DDR4-2666 (HP ドライバー)	20.6fps	17fps
Core i5-7400 (UHD 630)	104.9fps	85fps

Zhaoxinは、最高のパフォーマンスを得るためにWindows 10のデフォルトのディスプレイドライバーを使用するように指示しました。その結果、DOTA 2を1280x720の解像度で最低品質設定でプレイしたところ、15fpsのフレームレートを実現しました。また、このチップ用のHP製Zhaoxin Graphics DCHドライバーも見つけ、試してみました。HPのドライバーは、中国のセキュリティとプライバシー基準を満たすように設計されたWindows 10 China Government Edition用です（Microsoftは中国政府向けのこの特別版Windows向けにスパイウェアをほぼすべて削除しており、私たちはそのコピーを入手できていません）。 

ドライバーはWindows 10 Proのテストイメージに問題なくインストールされ、上記の表に示すパフォーマンスが得られました。DDR4-2133とDDR4-2666の両方でテストしましたが、メモリスループットの向上は、IntelやAMDのiGPUで一般的に見られるような大きなパフォーマンス向上にはつながりませんでした。1280x720で約1.6fpsの向上が見られ、1920x1080では改善が見られなかったことから、ボトルネックは他の部分にあると考えられます。いずれの場合も、これらのパフォーマンス指標は、本格的なゲームプレイには役に立たないと考えられているCore i5-7400のUHD Graphics 630エンジンに大きく遅れをとっています。統合グラフィックスのパフォーマンスを求めるなら、やはりAMDを選ぶのが最善です。 

Dota 2はZhaoxinテストシステムでの読み込みが非常に遅く、テスト実行中は一部で応答がありませんでした。そのため、KX-U6780Aを適切なゲーム体験、そしてDX12サポートを得るには、ディスクリートGPUと組み合わせる必要があります。以下のページでは、ディスクリートGPUを使ったテストを多数掲載しています。 

このプロセッサは、Linux、Windows 10、そして中国製の「国産OS」をサポートしています。中国は、中国国家標準規格で定義された独自のSM3およびSM4暗号化ハッシュ関数（楕円曲線暗号に基づく）を搭載した、国内で設計・製造されたチップに対して厳格な暗号化技術要件を設けています。これは、Hygonプロセッサシリーズを構成する改良型AMD EPYC設計で使用されている暗号化実装に類似しており、バックドアの可能性がある暗号化アルゴリズムによる西側諸国の詮索を避けるという明確な意図があります。中国インターネットネットワークインフォメーションセンターは、SM3はSHA-256と同等のセキュリティと効率性を提供し、SM4はAES-128と同等であると主張しています。このチップはSHA-1とSHA-256もサポートしています。 

セキュリティ脆弱性に関しては、これらのチップはSpectre Variant 2に対する緩和策を必要としますが、Meltdownの影響を受けていません。Zhaoxinは、将来のアーキテクチャにSpectre v2に対するシリコン内修正を統合する予定です。投機的実行機能を備えたプロセッサを対象とした他の緩和策の長いリストにおける同社の状況は不明です。 

ZhaoxinはKX-U6780Aの価格を明らかにしていませんが、既に市場に出回っているシステムを確認しています。価格が未発表であること、そして市販のマザーボードではなく開発ボードでテストしていることを考えると、これはパフォーマンスのプレビューと考えていただければと思います。

詳細はさておき、詳しく見ていきましょう。 

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ポール・アルコーンはTom's Hardware USの編集長です。CPU、ストレージ、エンタープライズハードウェアに関するニュースやレビューも執筆しています。