【コラム】

セカンド・オピニオン

13 64bit Rhapsody IA-32とYamhill(2)

 

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○新しい32bitプロセッサの必要性

前回( http://pcweb.mycom.co.jp/column/sopinion/sopinion012.html )、ハードウェア非依存の実行環境が将来的にはx86アーキテクチャを脅かす存在になるかもしれないと述べたが、Intelの製品ラインナップを眺めたとき、依然として現在のx86プロセッサの占めるポジションに新しいアーキテクチャを投入する事が必要なのは明確である。

ローエンドはXScaleに代表される完全32bitプロセッサ、ハイエンドにはItaniumに代表される完全64bitプロセッサがポジショニングされる。従ってその間を埋めるのはアドレス64bit、データ32bitのプロセッサということになるだろう。アドレス拡張の必要があるのはすでに述べた通りだし、その一方でデータ拡張の必要性がないのは、こちら( http://pcweb.mycom.co.jp/column/sopinion/sopinion002.html )でも論じた通りだ。この新しいプロセッサに必要とされる用件は

・x86命令との互換性を持つこと。これは過去の資産を利用できるようにするためだ。ただし過去との互換性を保つ以上、32bitを超えるアドレス空間は「必要ない」。

・32bitを超えるアドレス空間をアクセスできる命令体系。これは今後登場するアプリケーション(.NETや将来のJAVAなど)で利用されることになる。ただし、これがx86互換である「必然性はない」。

ということになる。勿論、x86-64の様に命令体系を引き継いでも良いのだが、これは十分条件であって必要条件ではない。「そんなものをなぜ作るんだ?」という意見も存在しそうだが、現実にこれに近い命令セットを持つCPUが存在する。それは何かというと、VIA C3シリーズである。今年のMicroProcessor Forumで、既存のVIA C3はAIS(Altanate Instruction Set:代替命令セット)と呼ばれる命令セットをサポートし、これをx86命令と混在させて利用できる事が発表されている( http://pcweb.mycom.co.jp/news/2002/10/17/14.html )。現在のAISでは、4バイトのAIS命令セットの前に2バイトのx86の "bound" 命令を識別用に付加しているため、コード密度という点ではあまり良くないが、これを除けばCPU内部のMicroOpsにかなり近い命令を直接発行できるから、従来のx86よりも遥かに効率的に処理を行わせる事ができる。x86互換と非互換の両方のプログラムを実行するといっても、x86命令はどのみち内部でMicroOpsに変換されるわけだから、CPU側で必要なのは命令デコードで2種類の命令を効率よく裁く仕組みを用意する事だけである。

C3のAISの様に、未使用命令を使って互換/非互換を切り替えても良いし、Hammerの様に動作モードをプロセスごとに決めて、コンテクストスイッチの際に自動的に切り替わる仕組みもスマートだろう。このあたりはOSへの実装方法とも絡んでくるから、一概にCPU側の都合だけでは決められないところではあるが、いずれにせよ技術的にはそれほど難しいものではない。そして新規の命令セットを利用できるのであれば、これを64bitアドレス対応にするのは別に難しくも何とも無い。単に決めれば済む話である。

勿論、既存のx86命令と互換性があっても別に構わない。この状態で、アドレスだけ64bit(というか、33bit以上)に拡張する一番簡単な方法は、セグメントモデルの復活である。例えば64bitアドレスにするのなら、これを上位32bit(こちらをセグメントと呼ぶ)と下位32bit(こちらはオフセットと呼ぶ)に分けて別々のアドレス指定レジスタに格納する方式だ。これを利用した場合、既存のx86の場合は下位32bitのみの指定となるから、デフォルトのセグメントを利用して、オフセットのみを指定する形でアプリケーションは動作する。64bitアドレスを使いたい場合は、オフセット指定の際、同時にセグメントを指定すれば良い。この方式なら64bitレジスタを新規に用意する必要もないし(64bitのアドレスを直接扱うというよりも、32bitアドレスを2種類扱う形になるから、64bit長のレジスタは原則必要ない)、既存のx86命令に新しいセグメントレジスタへのアクセスを追加するだけで済むから、Hammerのx86-64よりも更に少ない変更で対応できることになる。

実を言うと筆者、ちょっと前まではこのセグメント方式が現実的かと考えていたが、最近はちょっと考えが変わってきている。というのは、この方式の将来性にちょっと疑問があるからだ。既に報じられた通り、IntelはPentium 4のプラットフォームを800MHz FSBに引き上げるべくロードマップの大変更を行った訳だが、この64bitアドレス対応プロセッサが登場するときには、もう一度プラットフォームの入れ替えが必要になる。理由は簡単で、現在のPentium 4のFSBは32bitの物理アドレスにしか対応していないためだ。仮にアドレス多重(64bitアドレスを、32bitづつ2回送る)を掛けることでピン数を現在と同じに抑えても、チップセット側もこのアドレス多重に対応させなければいけないから、既存のチップセットを利用する事は一切できなくなる。しかも、アドレス多重にするとレイテンシが増える(DRAMがまさしくこのアドレス多重の仕組みを使っており、まずRowアドレス、ついでColumnアドレスを指定してそれからデータ転送という具合になるわけだが、これがゆえに一度に送る場合よりも1クロック以上余分に待ち時間が必要になる。これを避けるために、ページモードとかSDRAMの連続アドレス指定といった技を駆使する必要があるわけだ)。

勿論、ある程度のレイテンシが許される場合ならばこの方式も悪くないが、スループットとレイテンシの両方が重視されるFSBにはちょっと考えにくい。ということは、アドレスバスは64bit化されるか、もしくは32bitのままでも倍速で送られるのは確実だし、もっとドラスティックにPCI-Expressの様なシリアルリンクに変更される可能性もある。

これだけの大変更を行う以上、製品ブランドとしてもPentium 4のままという事は考えにくい(*1)。ところがそうなると、新製品が2~3年で行き詰まっては困るわけで、少なくとも5年、出来れば10年近い寿命を見込みたいところだろう。ところがその頃には、物理アドレスだけでなく仮想アドレスも4GBで不足する可能性が高まってくる。こうなると、セグメント方式を取った場合、アドレス指定が無駄に手間がかかるだけの無用の長物と化す。しかもその時代になると、既存のx86アプリケーションは殆ど動いていない。にもかかわらず、これに代わる別の命令セットへの移行が全然済んでいないという三重苦で行き詰まる事になるのが明白だからだ。

8086互換のセグメントアドレスから386のフラットアドレスに移行するためにえらく苦労したIntelとしては、もう一度同じ轍は踏みたくないだろうし、従って筆者としては問題の先送りにしかならないセグメント方式はおそらく採用しないと考えている。

(*1) プロセッサバスがSocketAからHyperTransport Linkに変更され、アーキテクチャも一新されたにもかかわらず"Athlon"のブランドを継承するAMDの例もあるから、絶対無いとは言い切れないのだが。あるいは"Pentium 五"とかになるのかもしれない。

バックナンバー
http://pcweb.mycom.co.jp/column/sopinion.html

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連載目次
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