PFNのAIアクセラレータ設計：電力効率と安定動作を両立させる実践的アプローチ

2025年7月18日、シーメンスEDAジャパンはプライベート・セミナー「Siemens EDA TechDay 2025」を開催した。

ここでは同イベント行われた、株式会社Preferred Networks（以下、PFN）高務 祐哲（たかつかさ ゆうてつ）氏の講演「PowerPro DesignerによるAIアクセラレータの高電力効率と安定動作の両立を目指した設計」についてレポートする。

高務氏の講演はPFNが独自開発しているAIアクセラレータ「MN-Core」に関する話。同チップはシリーズ3世代目の製品開発が進行中で、スパコンの電力効率ランキングGREEN500において過去3回首位に輝いた実績を持つ。チップのアーキテクチャとしては、命令のスケジューラーやキャッシュ制御など動的に判断する部分をソフト側にやらせ、演算器やレジスタの面積を最大化させているという特長がある。

高務 祐哲 氏

高務氏によると「MN-Core」はSIMDのVLIWなベクトル・プロセッサであり、チップ全体の演算器が同一命令を同時実行するため、チップ全体が一斉にビジー/アイドル化し消費電力の振れ幅が大きい一方で、命令側で電力や挙動を細かく制御することが可能。スケジューリングやチューニングがしやすい設計になっているとのことで、実際にGREEN500に挑戦する過程でクロック・ゲーティングの抜けが判明し、命令のチューニングによって消費電力の問題を回避したという事例もあるという。

今回の講演で高務氏が紹介したのは、チップの安定動作すなわち電力変動の急峻さを抑えるための設計手法の事例。その実現にあたりPFNはSiemensの「PowerPro Designer」を活用した。

PFNは実際に起きたクロック・ゲーティングの挿入漏れをなくすということを前提に、クロック・ゲーティングされていないFFの列挙や割合といった統計を出す解析機能、およびクロック・ゲーティング条件の提案機能をツールの導入条件として検討し、「PowerPro Designer」を選択。ツールの選択肢としてはクロック・ゲーティングを自動挿入してくれる「PowerPro Optimizer」もあったが、あえて「PowerPro Designer」を選択し、人手でRTLを書き換える手法を取った。

高務氏は「PowerPro Designer」を選択した大きな理由として「クロック・ゲーティングの条件を一つ一つ確認したかった」という点を挙げたが、その背景には「論理的には問題なくても電力変動が大きくなりすぎて安定動作に課題が出ては困る」という考えがあった。実際にPFNは安定動作優先という設計判断により、いくつかの条件であえてゲーティング効率を下げるという措置を講じたという（下記のスライド参照）。

画像は高務氏の講演資料より抜粋

また高務氏は消費電力を抑えるために行った回路構成の変更についても紹介（下記スライド参照）。「PowerPro Designer」を使った感想としては、回路構成にもよるがベクタレスでの解析でも利用可能でその方が容易とコメント。一番大きかったのはクロック・ゲーティングを一つ一つレビューする機会があったことだとし、細かなチューニングに役立ったことに加え自分への教育効果も大きかったと語った。

画像は高務氏の講演資料より抜粋

更に高務氏は「PowerPro Designer」の活用メリットとして、クロック・ゲーティング効果の定量的なレポート機能、モジュールをまたがるクロック・ゲーティング条件も提案してくれる機能などを挙げ、効率よく効果の高い対策を講じることができる点を強く評価した。なおツールの運用環境に関しては、日本語の動画やチュートリアル、実行環境の雛形、ライセンス不要でレポートが共有できる点などがとても役立ったと付け加えた。

高務氏によるとPFNでは「PowerPro Designer」の継続活用を前提に、parameterでシフトレジスタモードとCircular Bufferモードを切り替えられる標準部品を整備。今後の取り組みとしては、クロック・ゲーティング効果の定量的な評価を行い、電力変動が懸念される条件を定式化していきたいとまとめた。

PFNは、電力効率の最大化と電力変動の平滑化による安定動作のトレードオフを、ツールの自動化に任せ切らずに設計者の判断を介して最適点を探る形で進めている。これはツールを使い倒すという意味でも優れた戦術で、「PowerPro Designer」＋人手改修という運用は、効率面では「PowerPro Optimizer」に劣る面もあるが、電力変動の安定性を考える上で必要な保守性と設計ノウハウの蓄積を両立しており、PFNならではの頭脳的な設計手法と言えるだろう。

シーメンスEDAジャパン株式会社

株式会社Preferred Networks