PowerPlay™

Visit ati.com

PowerPlay™

WHITE PAPER

はじめに

POWERPLAY™ は、ATI のモバイル グラフィック製品である Mobility Radeon の電力消費量を激減させる新しい電源管理テクノロジーです。POWERPLAY™ はグラフィック プロセッサで世界初の機能を提供することにより、消費電力の軽減を実現しています。このテクノロジーではパフォーマンスと消費電力間で最適なバランスを保つため、必要なときには高いパフォーマンスを提供し、グラフィック プロセッサへの負荷が低いときはバッテリ モードで消費電力を節約します。

ATI は、本質的に消費電力効率のよいデザインの範囲において、ノートブック型 PC 市場に最速で視覚的に最も優れたグラフィック エクスペリエンスを提供し続けています。POWERPLAY™ テクノロジーにより、ユーザーがハイパフォーマンスとバッテリーライフとの間で選択をする必要がなくなります。

モバイルコンピューティングの傾向

最新のノートブック型 PC には、高速処理が可能なプロセッサ、鮮明な画面を表示する LCD スクリーン、大容量のストレージ能力、強力なグラフィック機能など、高性能なデスクトップ システムに匹敵する機能が搭載されています。ノートブック型コンピュータの各メーカーは、形状と電源および冷却システムの制限のため、デスクトップ システムのパフォーマンスおよび機能において同等レベルに達するために大きな課題に直面しています。ノートブック型システムではエンドユーザーの最大の関心は、その寸法、重量、電池寿命にあり、低電力デザインで最大のパフォーマンスを発揮することは容易ではありません。

これまで、高度なコンピュータ コンポーネントはサイズが大きく消費電力も多量に必要としていました。これらの要因により、ノートブックに洗練されたハードウェアを統合することは至難の技でした。しかし、消費者がより良いノートブックを求めていることを認識した各メーカーが、ノートブックのユーザーのニーズを考慮して特別に設計したハードウェアを製造するようになりました。熱放散と電池の消費電力を抑えることにより、サイズがより小さく、軽く、しかも操作時間がより長いノートブックの開発に成功しました。

ノートブック型 PC 市場で最近出現したもう 1 つの傾向に、形状の特殊化があります。ノートブックの使用は、過去数年に大きく発展し、各メーカーは異なるタイプのユーザーのニーズに対応できるノートブックを設計する必要性に迫られるようになりました。たとえば、デスクトップの代わりにノートブックを使いたいユーザーのためには、モバイル性よりもコンピューティング能力に焦点を合わせます。このようなノートブックは、最高で 3 つのスピンドルを備え、すべてのドライブや追加のハードウェア用の余地を考慮した設計になっています。

一方、超携帯型のノートブックを求める真のモバイル ユーザーと言えるエンドユーザーが存在し、これらのユーザーには、小型で軽量、移動に便利で収納性の高いノートブックを提供しなければなりません。超携帯型のノートブックは消費者からの人気が高くなっており、PC 市場で最も速い成長分野の 1 つとなっています。また、1 スピンドル設計として知られる超携帯型のノートブックには、ノートブックの寸法と重量を減らすためにフロッピー ディスク ドライブやその他の光学ドライブを内蔵せず、ハード ドライブが 1 つ搭載されているだけです。真のモバイル機能を実現するためは、超携帯型のノートブックのユーザーにとって、電池の寿命が最大のポイントとなります。このため、超携帯型のノートブックは、設計上ノートブックの電池寿命を延長させるために低消費電力で動作するコンポーネントが搭載されます。

ワイヤレス接続も、ノートブック市場で大きな成長を遂げています。ノートブック型 PC の主要メーカーはワイヤレス製品を発表し、ユーザーが IEEE 802.11b や Bluetooth ワイヤレス プロトコルなど、人気が高まってきたワイヤレスなデータ伝送の先端規格を利用できるようになりました。802.11b プロトコルはワイヤレス ネットワーク アクセスをサポートするために設計され、Bluetooth はPC をプリンタやその他の周辺機器に接続するケーブルに取って代わるものとして開発されました。これらのテクノロジーにより、物理的にコンピュータを接続しなくても、ネットワークや周辺機器への接続が維持されたまま簡単に移動できるため、ユーザーに次のレベルのモバイル コンピューティングを実現する自由と多用性を提供します。移動性を高めるためはより長い電池寿命が要求され、各メーカーはノートブックの消費電力を下げる新しい方法を見つけなければならなくなっています。

モバイル電力に関する問題点

ハイパフォーマンスで高度な機能を持つノートブック型 PC が開発されるようになり、電源管理、熱放散、電池寿命などが問題になってきました。ノートブックの設計では、パフォーマンスや機能を向上しようとすると、より高いレベルの複雑性、より多くのトランジスタ、より大きなダイのサイズ、より高い電力と発熱が必要となる傾向にあります。寸法、重量、電池の寿命が最も重要である超携帯型や軽量薄型ノートブックの出現により、これらの問題はさらに大きくなりました。

ノートブックが消費する電力の合計は、電池に電力を要求する個々のコンポーネントによって決定されます。これらのコンポーネントには、中央処理装置 （CPU）、ディスク ドライブ、I/O ポート、グラフィック アクセラレータ、ネットワーク アダプタ、オーディオ システム、ディスプレイ デバイスなどがあります。この中で、CPU、ハード ディスク ドライブ （HDD）、グラフィック アクセラレータ、ディスプレイ システムが最も電力を消費します。

ノートブックの形式

ノートブック型コンピュータの各メーカーは、ユーザーの特別なニーズに応えるために設計された多様なノートブック コンピュータを製造しています。次に、最も需要の高いノートブックの外形について説明します。

デスクトップ代替型

重量: 8～9 ポンド （約 3.7～4.1 kg）

スクリーン サイズ: 14～15 インチ

スピンドルの数: 2～3

消費電力: 20～30 W

厚さ: 1.4 インチ

搭載機能: 内蔵ハード ディスク ドライブ、フロッピー ディスク ドライブ、CD-ROM または DVD-ROM ドライブ

説明: デスクトップの代わり、または携帯型ワークステーションとして知られるこのタイプのノートブックは、ユーザーにハイエンドのデスクトップ PC のパフォーマンスと機能を提供するために設計されています。これらのノートブックは、高速プロセッサ、大型 LCD スクリーン、最大のパフォーマンスと拡張された視覚的体験を提供するために大きなフレーム バッファを持つ最新のグラフィック プロセッサが搭載されています。

軽量薄型

重量: 4～5.5 ポンド （約 1.8～2.5 kg）

スクリーン サイズ: 13～14 インチ

スピンドルの数: 1～2

消費電力: 15～20 W

厚さ: 1.0～1.2 インチ

搭載機能: 内蔵ハード ディスク ドライブ。フロッピー ディスク ドライブは搭載されていません。

説明: 軽量うす型ノートブックは、PC 市場で最も速く成長している分野の 1 つです。このタイプのノートブックは、スリムで軽量なデザインと主流のビジネス ユーザーに焦点を当てた拡張機能を組み合わせた設計になっています。これらのノートブックは、移動性、ディスプレイの画質とサイズ、電池寿命、全体的なパフォーマンスで最適なバランスを提供します。

超携帯型

重量: 2.5～4 ポンド （約 1.1～1.8 kg）

スクリーン サイズ: 8～12 インチ

スピンドルの数: 1

消費電力: 7～15 W

厚さ: 1.0～1.2 インチ

搭載機能: 内蔵ハード ディスク ドライブのみ。フロッピー ディスク ドライブ、CD-ROM、DVD-ROM などの内蔵メディアは搭載されていません。

説明: 低電力設計とワイヤレス通信デバイスの出現により、超携帯型ノートブックも、急速に成長している分野です。超携帯型ノートブックの各メーカーは、長時間の操作が可能で、小型軽量な製品に最新のテクノロジーを搭載するという問題を解決しなければなりません。

バリュー型

重量: 6～8 ポンド （約 2.7～3.6 kg）

スクリーン サイズ: 13 インチ

スピンドルの数: 2～3

消費電力: 20～25 W

厚さ: 1.4 インチ

搭載機能: 内蔵ハード ディスク ドライブとフロッピー ディスク ドライブ

説明: バリュー型ノートブックは、購入の第一条件が価格であるというユーザーを対象にしています。これらのノートブックは、サイズや重量は多様で、通常主要なハードウェア コンポーネントを搭載しています。

各ノートブック デバイスによる消費電力は一様ではなく、確定されてもいません。これは、デバイスにどの程度の消費電力効率が設計されているかどうか不明であることを意味します。また、デバイスの仕様や設定は、消費電力に大きな影響を与えます。たとえば、ディスプレイ デバイスは、明るさやリフレッシュ レートを低く設定すると消費電力が下がります。ハード ディスク ドライブは、スピンするときにその電力の多くを消費しますが、この消費電力を下げるため、より効率的なメモリへのアクセスと必要な場合にだけドライブがスピンするように設計することが可能です。より速いクロック スピードや電圧設定を持つグラフィック アクセラレータや CPU は、遅いクロック スピードと低い電圧設定を持つ同じデバイスよりも、多くの電力を消費します。さらに、複数のスピンドルを持つノートブックは、通常より多くの電力を消費します。

PC のグラフィック コンポーネントもシステム全体の総電力消費量に対し大きな割合で影響を与えます。さまざまな操作の中でグラフィック サブシステムは、2D および 3D アクセラレーションを行い、画面にイメージをレンダリングし、DVD 再生時にハードウェアをアシストします。これらの処理を高速に行おうとする場合、グラフィック コンポーネントがうまく実装されていないと多大な電力を消費する結果となり、電池に大きな負担を掛けることになります。一方、消費電力効率の良いグラフィック アクセラレータは、これらの動作をより少ない電力で行うだけでなく、ノートブック内にある電力を必要とするほかのコンポーネントの消費電力をも下げることができるのです。

低電力への挑戦

ハードウェアおよびノートブック型 PC の各メーカーがノートブック設計の問題を解決できるように、Intel 社は 1995 年に IMPG (Intel Mobile Power Guidelines: インテル モバイル パワー ガイドライン) を作成しました。このガイドラインには、電圧軽減や低電力使用などのシステム設計技術を使って、ハイパフォーマンスで消費電力効率の良いノートブックを構築する方法が推奨されています。また、システムのハードウェア コンポーネントの消費電力に関する目標を定め、その目標を達成する方法についての推奨も記載されています。もう 1 つの電源管理指針は、ACPI (Advanced Configuration and Power Interface: 高度な構成と電源インターフェース) 仕様で、システムのソフトウェア電源管理を統制するために Intel、Microsoft、Toshiba の協力で作成されました。ACPI は正しい電源管理の基本で、どのシステムリソースが使用され、どのシステムリソースがアイドルの状態になっているかを判断します。その他の電源管理指針の中で、ACPI はフル スピードが必要ない場合はクロック スピードを下げ、使用されていないときはデバイスをオフにし、連続的に更新されるデマンド分析に基づいてアプリケーションの動作を管理することを推奨しています。

CPU の各メーカーは、低電力設計の分野で大きな進歩を遂げています。今日市場で扱われているモバイル プロセッサの多くは、パフォーマンスを実現すると同時に、ハイパフォーマンスと低い消費電力間の最適なバランスを提供するために全体的な目標を達成する最適化された電池寿命を提供しています。たとえば、ACPI によると、実行中のアプリケーションで CPU がフル スピードで処理を行う必要ないと判断される場合には、プロセッサのクロック スピードが下がるように設計されています。コンピューティングのニーズが軽いときには使用する電圧を下げるプロセッサも開発されています。消費電力の軽減に加え、これらのステップダウン法により、プロセッサが放散する熱を減らすことにもつながりました。

HDD の製造会社も、より消費電力効率の良い設計を開発しています。ハード ドライブの消費電力は、ドライブのスピンドル モーターの設計、スピンドル プラッタ－の数とサイズ、作動装置とコントローラ ボードなどのコンポーネントに大きく影響されます。消費電力を改良するため、HDD 製造会社では、標準、アイドル、スタンバイ、スリープ モードなど操作をいくつかのモードに分類し、これにより電力が必要なコンポーネントが使用されていない場合にはオフにすることを実現しました。たとえば、スピンドル モーターはハード ディスクが消費する電力の大半を占めていますが、スリープおよびスタンバイ モードではその電源がオフになります。

LCD の各メーカーも、LCD の消費電力を軽減するための方法を積極的に研究しています。LCD ディスプレイ デバイスは、LCD テクノロジーが使用しているバックライトにより、ノートブックのシステムが使用する総電力の大半を占める電力を消費します。使用していない場合には、ディスプレイの明るさやディスプレイのリフレッシュ レートを下げると、LCD の消費電力を下げることにつながるため、この方法が電源管理上使用されています。

ほかのノートブック コンポーネントのメーカーと同様、グラフィック チップのメーカーもその製品の消費電力を軽減する努力を行っています。これまで大きく取り上げられることがなかったグラフィック アクセラレータは、ノートブックの電池寿命の大部分を消費する可能性を持っています。これは、ノートブックの全体的な消費電力が低い超携帯型のノートブックなどでは特に問題となっています。これに対し、優れた設計を持つグラフィック アクセラレータは、消費電力を抑えることができるだけでなく、ほかのコンポーネントが消費する電力も軽減できるという能力を持っています。たとえば、iDCT (Inverse Discrete Cosine Transform: 逆離散コサイン変換) ハードウェア アクセラレーションをグラフィック コンポーネントに含めると、CPU からの MPEG-2 デコード処理で最も処理が集中する部分の負荷を著しく軽減できます。これにより、CPU の利用を軽減し直接節電に結びつけることにより、DVD 再生中の CPU への負担が軽減されます。

典型的な利用パターンおよびベンチマーク

システムとハードウェア コンポーネントのメーカーが設計段階で取るべきノートブック利用の主要課題は、ノートブックが電池動作モード時の典型的な利用パターンです。たとえば、出張や社外活動の多い典型的なビジネスマンは、ワープロ、プレゼンテーション、電子メール アプリケーションなどを使用しますが、この利用パターンは利用していない時間と利用している時間が短時間ではあるが多数繰り返されるものとなっています。アイドル時間をうまく利用したハードウェアやソフトウェアの設計は、重要な電池寿命を浪費しないための大切な課題で、ユーザーが必要とするコンピューティング能力とパフォーマンスを提供することにも匹敵する課題となっています。

最適なグラフィック アクセラレータの設計は、この典型的な利用パターンに基づいて行われます。これにより、ユーザーがノートブックをどのように使用するかに適応し、不必要な電力を浪費することなく一般的な作業を行えるだけのパフォーマンスを提供します。すべてのノートブック コンポーネントが消費電力効率を向上させる方向に向かうことが理想的です。つまり、すべてのコンポーネントがユーザーの操作に適応できる能力を持つことになれば、パフォーマンスと電力消費間の最適なバランスを提供することができるようになります。

ノートブック システムの消費電力効率とパフォーマンスを測定するため、長期間に渡って多くの測定規準が開発されてきました。これらのテストにより、ある一定の条件下、または上記に説明されているような典型的なノートブック ユーザーの作業パターンをシミュレートにより、システムのベンチマークが決定されます。グラフィック アクセラレータの場合には、主要な消費電力のベンチマークは、静止画像画面、2D アクセラレーション、3D アクセラレーション、DVD の再生中に消費される電力を測定して決定されます。これらの条件は最も一般的なユーザーが行う操作であるため、重要な測定規準となっています。

ATI による電源管理の提唱

ATI は多くの電源管理技術のパイオニアで、消費電力のリーダーシップを取り、ノートブック グラフィックの市場でのパフォーマンスについてもトップの位置にあります。

ATI が実現した初期の電源管理は、クロック ゲートとして知られており、グラフィック チップのアイドル部分のクロックを自動的にオフにする動作を基にしたダイナミック ゲートレベル技術です。たとえば、3D エンジンが使用されていない場合は、このブロックを通常操作するクロックがオフになります。ATI 実装の詳細は、独立して制御されるクロック枝路が増えるにつれ時間とともに向上してきました。これはグラフィック サブシステムの消費電力をより詳細に制御することになりました。

クロック ゲートに加え、ATI のモバイル グラフィック ハードウェアおよびソフトウェアには、多数の電源管理技術が含まれています。さらに、ATI では、画期的な新しい電源管理技術を実現しようとしています。グラフィック コンポーネントの消費電力を著しく軽減するために設計された POWERPLAY™テクノロジーが、モバイル グラフィック製品の Mobility ATI Radeon™ 製品において発表されました。

PowerPlay テクノロジー

ATI の前世代モバイル グラフィック アクセラレータから受け継がれた消費電力効率設計を向上させたことに加え、POWERPLAY™ テクノロジーは、世界で初めてグラフィック プロセッサにこの特徴的な機能を提供することにより、さらに消費電力を軽減することに成功しました。POWERPLAY™ は、パフォーマンスと消費電力間で最適なバランスを保つため、必要なときには高いパフォーマンスを提供し、グラフィック プロセッサへの負荷が低い場合は、バッテリ モードで消費電力を節約するように設計されています。POWERPLAY™ は電池寿命を不必要に浪費することなく、ユーザーの要求するパフォーマンスを本質的に提供しています。

POWERPLAY™ テクノロジーは、コア電圧と周波数を落とす機能を持つモバイル グラフィック コンポーネントである Mobility ATI Radeon™ ファミリーを提供することにより実現されました。このハイブリッドのハードウェアとソフトウェアを基にしたテクノロジーは、グラフィック エンジンとメモリ クロックのスピードを AC モードの通常操作のクロック スピードから、自動的に、しかもシームレスに切り替えて、DC モードでのクロック スピードを下げることができます。さらに、AC モードからバッテリ モードへの切り替え時に、コアの電圧を下げることにより、さらに多くの節電が実現されます。

ユーザーは、ソフトウェアのスイッチを切り替えるだけで、いつでもを POWERPLAY™ 使用可能または使用不可にするオプションを選択できます。使用可能にすると、ユーザーは設定の切り替えに気付くことなく、POWERPLAY™ が自動的にハイパフォーマンスと最大節電のグラフィック設定を切り替えます。AC 電源が利用できる場合は、グラフィック アクセラレータの最高のパフォーマンスを利用できるように、POWERPLAY™ によってシステムが制御されます。バッテリによる電源供給が行われている場合は、ユーザーが最大節電と最大パフォーマンス間でオプションを選択できます。POWERPLAY™ を使用不可にして、グラフィックの設定を促進したり、一般的なアプリケーションのニーズに合う制御を行ったりすることもできます。POWERPLAY™ を使用不可にすると、システムは常にハイパフォーマンス モードを維持します。一方、POWERPLAY™ を使用可能にすると、2D やシンプルな 3D アプリケーション、および DVD 再生操作がスムーズに実行されます。高度な 3D ゲームなどのアプリケーションを実行するには、ハイパフォーマンス設定に切り替えます。

この機能に加え、パワー オン デマンドとして知られている POWERPLAY™ 機能により、ダイナミックな電圧と周波数の抑制が可能になります。この機能は、ユーザーの操作状況のみを基にして、コアのクロック周波数と電圧を調整します。システムがアイドル状態である場合は、ユーザーがノートブックを再度使用し始めるまで、グラフィック アクセラレータのコア クロック周波数と電圧が下がります。パワー オン デマンドは、エンドユーザーからは完全に隠された機能です。ユーザーがパワー オン デマンドの結果としてパフォーマンスの違いに気付くことはなく、ノートブックの電池寿命がさらに延長されます。

また、高度な POWERPLAY™ 機能として、ノートブックがバッテリ モードである場合にはLCD のリフレッシュ レートを下げます。この機能は、ノートブックで最も電力を消費するコンポーネントの 1 つである LCD の消費電力を軽減するため、大きな節電につながります。

グラフィック アクセラレータの電圧と周波数を調整するオプションは、ノートブック ユーザーに画期的な節電機能を提供しています。電力はクロック スピードに対して 1 次的に変化し、電圧設定の 2 乗で変化するため、電圧と周波数を両方下げることは3 乗の節電になります。一方、周波数の設定のみを変更できる電源管理機能は、1 次的な節電を実現するにすぎません。POWERPLAY™ の最大パフォーマンスと最大電池寿命が切り替わる多用性と合わせて、高いパフォーマンスを犠牲にすることなくノートブックの最長電池寿命を実現します。

グラフィック コンポーネントの消費電力が下がり熱放散も低くなるため、熱を発散させるためのかさばった冷却ファンやヒート シンクが不要になります。その結果、これらの節電機能が空間の節約にもつながります。POWERPLAY™ は、ほかのソリューションで可能なノートブックより、薄くて軽量なデザインを可能にし、ノートブック プラットフォームの価値を高めることができます。

これからの電源管理の提唱

POWERPLAY™ の電源管理テクノロジーは、モバイル グラフィック プロセッサの ATI Mobility Radeon™ ファミリーが成功するための主要な技術であるだけでなく、ノートブック型 PC テクノロジーの全体的な発展にも大きな影響を与えます。ノートブックは、従来デスクトップに追随する 2 番手として見られていました。これは、主に熱放散と消費電力の問題があったからです。POWERPLAY™ のような画期的で進歩的な電源管理テクノロジーにより、これらのマイナス要素が解決され、デスクトップとノートブック システム間のテクノロジーの溝がより狭くなってきています。

ATI の発展とともに、POWERPLAY™ はより高度でダイナミックな電源管理機能を展開し、提供していきます。この技術により、グラフィック アクセラレータは、ダイナミックに電力とパフォーマンスを制御して、ユーザーの操作に正確に適応できる機能を持つようになります。これで、ハイパフォーマンスと低電力消費の理想的なバランスが実現されます。

ATI では、POWERPLAY™ テクノロジーを将来のモバイル プロセッサに実装し、従来の消費電力効率の良い設計を利用し、最速、しかも視覚的に最も優れたグラフィック体験をノートブック PC 分野に提供し続けていきます。POWERPLAY™ テクノロジーを使うと、ユーザーがハイパフォーマンスのグラフィックとより長い電池寿命との間で選択を迫られることがなくなります。