CPU自体が準光速で動くことで計算時間を短縮するコンピューター【いろいろなコンピューター Advent Calendar 2023 1日目】
この記事はいろいろなコンピューター Advent Calendar 2023(さっき作った)の1日目の記事です。
背景
さて、昨今のCPUはどんどん高速化し、クロック周波数も5GHzを超えることは珍しくなくなりました。 一方で、ここまで高速化すると問題になるのが光速です。
5GHzというのは50億分の1秒に1サイクルということなので、この間に光は真空中でも60mmしか進むことができません。 媒質中では屈折率に反比例して遅くなるので、例えば屈折率1.5の光ファイバーがあったとすると、40mmほどしか進めません。
一方で、単位体積あたりに詰め込める計算ユニットやメモリセルは有限なので、大きな並列度を持った計算機を作ったり、大容量の記憶装置を持ったりするには、それに応じた体積が必要です。 しかし、光に限らずあらゆるものは真空中の光速を超えることはできないので、大きくなればなるほど光速の制約がきつくなります。
記憶装置と光速の壁
簡単のため、CPUは大きさを持たず、空間中のある1点にあるとします。
このCPUからアクセス要求をだしてからnサイクル以内にデータが帰ってくるには、アクセス要求とデータ返送が真空中の光速で到達するとして、メモリセルはCPUからmm以内*1になければいけません。
したがって、半径
mmの球に入るメモリセルであることが必要条件となり、半径
mmの球の体積は
mm3となります。
今、1mm3あたり1GiBのメモリを積めると仮定します（stacked DRAMの密度はたぶんこのくらいのオーダーになるはず、このあとの話的には定数倍が変わるだけなので、1MiBでも1TiBでもよいです）。
すると、nサイクル以内にアクセスできる容量は約TiBとなります。
全世界のデータ量が約100ZiBだとすると、これをすべておさめたメモリにアクセスするには半径約30m必要で、およそ1000サイクルかかることになります。 今は全世界分で1000サイクルなので大したことはないですが、今後も人類の扱うデータ量が増大していくと、（メモリの3次元的な密度上昇が追いつかなければ）必要な体積とアクセス時間も増大していきます。
すべてを収めるメモリの大きさはどんどん大きくなり、やがて地球サイズを超え、太陽系を飲み込み、はるか星間空間、銀河系まで埋め尽くしていくことになります(もっとも、現在の物質密度で太陽系いっぱいにメモリを配置すると、ブラックホールが発生してしまいますが、ここはなんとかするとして)。 こうなるとメモリアクセスのレイテンシーがあまりに大きくなり、1データにアクセスするのに年単位あるいはそれ以上の時間がかかってしまいます。 これではなにか1回計算しいてる間に、寿命が尽きて死んでしまうことが多発し、人類は滅亡してしまいます。
コンピュートフローアーキテクチャ
この解決策として、本記事ではデータがやってくるのを待つのではなく、CPU自体を計算機利用者とともに光速に近い速度で動かすことで、大幅なアクセス時間削減を実現する計算機アーキテクチャを提案します。
まず、計算機利用者と利用するCPUを、光速に近い速度で移動できる宇宙船に搭載します。CPUはメモリセルに向かってアクセス要求を出す代わりに、自分でメモリセルのある場所まで航行します。
すると、計算機利用者とCPUからみると、メモリセルに到達するまでの主観時間は、相対論的効果によりメモリセルから見た時間より短くなります（追記: CPUから見ると、ローレンツ収縮によりメモリセルまでの主観距離が縮み、メモリセル側から見るとCPUの時間の進みが遅くなって見えます）。 光速に近ければ近いほどどんどん主観時間は際限なく短くすることができ、これにより計算が高速化され、計算機利用者の寿命が尽きてしまうことを防ぐことができました。めでたしめでたし。
このアーキテクチャをコンピュートフローアーキテクチャと命名することにします*2。 このアーキテクチャの計算機の構築にあたって、私の許諾等は不要です。作れるならな！
