スーパースカラーとは? わかりやすく解説

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スーパースカラー【superscalar】

読み方:すーぱーすからー

《「スーパースケーラー」とも》コンピューターCPU高速化を図る方式の一。複数命令並行して同時に処理を進める。その際命令並べ替えをして実行効率高め工夫なされる1990年代末より、汎用CPU処理方式として主流になった


スーパースカラー

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2025/05/18 05:20 UTC 版)

スーパースカラーのパイプライン概念図
CRAY T3E 並列コンピュータのプロセッサ基板。4個のスーパースカラー Alpha プロセッサを搭載

スーパースカラー(superscalar,スーパースケーラ)とは、プロセッサマイクロアーキテクチャにおける用語で、複数の命令を同時にフェッチし、複数の同種のあるいは異種の実行ユニット並列に動作させ[1]、プログラムの持つ命令レベルの並列性を利用して性能の向上を図るアーキテクチャである。

概要

スーパースカラプロセッサは、単一のプロセッサ内で命令レベルの並列性と呼ばれる、ある一種の並列処理の形式を実装するCPUである。クロックサイクル毎に最大で1つの命令しか実行できないスカラプロセッサとは対照的に、スーパースカラプロセッサは、プロセッサ上の複数の異なる実行ユニットに複数の命令を同時にディスパッチすることにより、1クロックサイクル中に複数の命令を実行できる。したがって、既定のクロックレートで(普通)可能なスループットよりも多くのスループット(単位時間のうちに実行できる命令の数)が可能になる。各実行ユニットは、個別のプロセッサ(あるいはマルチコアプロセッサの場合個別のコア)ではなく、単一CPU内の算術論理演算ユニットなどのような実行リソースである。

歴史

1965年シーモア・クレイが設計したCDC 6600が、最初のスーパースカラー設計のマシンと言われている。

商用のシングルチップのスーパースカラーマイクロプロセッサは、Intel i960CA(1988年)と AMD 29000シリーズの 29050 (1990年)が最初である。RISC型CPUの設計ではコアが単純であったため、当時の設計ルールの細かさでもワンチップに複数の実行ユニット(ALUなど)を搭載でき、スーパースカラーを実現できたのである。このため、1980年代から1990年代にかけての時期に RISC が CISC に対して性能的に優位に立った。一部の低消費電力の組み込み向けプロセッサを除いて、1998年以降に開発された汎用プロセッサは基本的に全てスーパースカラーである。

現在パーソナルコンピュータデファクトスタンダードとなっているx86アーキテクチャでは、1993年のPentiumで2実行ユニットのインオーダ実行型のスーパースカラーを実現し、その後の"P6"(Pentium ProPentium II)以降で3実行ユニットのアウトオブオーダ実行型スーパースカラーに発展した。2008年現在のIA-32アーキテクチャは単一コア当り5実行ユニットのアウトオブオーダ実行型スーパースカラーで、平均IPCは3以上を達成している。

スカラーからスーパースカラーへ

最も単純なプロセッサアーキテクチャスカラープロセッサと呼ぶ。スカラープロセッサでは、各命令で1つか2つのデータを一度に扱う。一方、ベクタープロセッサでは同時に多数のデータを扱う。これは数学におけるスカラーとベクトルの違いに似ている。スーパースカラープロセッサはこれらの中間と言える。各命令は1つのデータを扱うが、CPU内に複数の実行ユニットがあるため、それぞれ別のデータを扱う複数の命令を同時並列的に実行可能となる。

スーパースカラーCPUの設計では、複数存在する実行ユニットを常に働かせておくために、命令の分配機構が重要である。実装される実行ユニット数が増えるにつれ、その重要性は増している。初期のスーパースカラー型CPUには、2つのALUと1つのFPUが搭載されていたが、最近の PowerPC 970 では4つのALUと2つのFPUと2つのSIMDユニットが搭載されている。分配機構が効率的でない場合、これらの実行ユニットに連続して命令を供給することができず、システムの性能は全体として低くなる。

スーパースカラープロセッサの実行効率はサイクル当たりの実行命令数で表される。ただし、サイクル当たりの実行命令数が大きいからといって、常にスーパースカラーだとは限らない。パイプライン型CPUマルチコアCPUも同様の性能を示すが、方式は異なる。

スーパースカラー型CPUでは、分配機構がメモリから命令群を読み込み、そこから並列に実行できる命令を選択し、実行ユニット群にそれらを供給する。従って、スーパースカラープロセッサはパイプラインが複数あって、各パイプラインが1つの命令スレッドを実行していると見なすこともできる。

限界

スーパースカラー技法による性能向上は、以下の2つによって制限される。

  1. 命令列の本質的な並列性の度合い。つまり、命令レベルの並列性の制約。
  2. 命令間の依存関係チェックロジックと分配機構が命令選択にかけられる時間の制約と機構自体の複雑さ。

既存のバイナリの実行プログラムの持つ並列性にはばらつきがある。ものによっては命令間の依存が全く無く、常に並列に実行可能なこともある。逆に依存関係が多く、並列性がほとんどない場合もある。例えば、a = b + c; d = e + f という命令列は依存関係がないため、並列に実行可能である。しかし、a = b + c; b = e + f という命令列は依存関係があるため、並列に実行することはできない。

同時に実行可能な命令数が増えると、依存関係をチェックするコストも急激に増大する。また、そのチェックをCPUのクロックに合わせて実行時に行わなければならないという事実が事態をさらに悪化させる。研究によれば、命令の種類を n、同時実行可能な命令数を k としたとき、依存関係チェックの回路規模は

出典は列挙するだけでなく、脚注などを用いてどの記述の情報源であるかを明記してください。 記事の信頼性向上にご協力をお願いいたします。2023年1月
  • マイク・ジョンソン著、村上和彰監訳、『スーパスカラ・プロセッサ- マイクロプロセッサ設計における定量的アプローチ -』、日経BP社、ISBN 4-8227-1002-5 (原著 Mike Johnson, Superscalar Microprocessor Design, Prentice-Hall, 1991, ISBN 0-13-875634-1
  • Sorin Cotofana, Stamatis Vassiliadis, "On the Design Complexity of the Issue Logic of Superscalar Machines", EUROMICRO 1998: 10277-10284
  • Steven McGeady, "The 1960CA SuperScalar Implementation of the 80960 Architecture", IEEE 1990, pp. 232-240
  • Steven McGeady, et al., "Performance Enhancements in the Superscalar i960MM Embedded Microprocessor," ACM Proceedings of the 1991 Conference on Computer Architecture (Compcon), 1991, pp. 4-7

外部リンク


スーパースカラー

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2021/10/23 17:24 UTC 版)

マイクロアーキテクチャ」の記事における「スーパースカラー」の解説

詳細は「スーパースカラー」を参照 これまで述べてたような方法実装すると複雑さゲート数が増大するのだが、半導体製造技術の向上により、すぐに多くゲート搭載できるようになってしまう。 上記述べた方法では、プロセッサ一度1つ命令一部実行する。もし複数命令同時に実行できればコンピュータプログラムはより高速動作するはずである。これがスーパースカラーの実現するもので、そのためにALUなどの機能ユニット複数搭載する機能ユニット複数搭載することは、シングルイシュープロセッサダイサイズ安定して生産できるダイサイズについていかなくなって初めて意味がある1980年代後半までには、スーパースケーラ設計市場登場し始めた現代的な設計では、ロードユニットを二つ、ストアユニットを1つ多くの命令はストアする結果がないため)、2つ上の整数演算ユニット浮動小数点ユニット何らかのSIMDユニットがよく見られる命令発行ロジックメモリから膨大な命令列を読み込みその時点でアイドルになっている実行ユニット引き渡すため複雑さ増大する。処理の結果最後に集められ並べ替えられる。

※この「スーパースカラー」の解説は、「マイクロアーキテクチャ」の解説の一部です。
「スーパースカラー」を含む「マイクロアーキテクチャ」の記事については、「マイクロアーキテクチャ」の概要を参照ください。

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