【コラム】

セカンド・オピニオン

22 64bit Rhapsody 新しい地平を切り開くItanium(2)

 

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○効率向上のためのQuantum Leap

処理効率を上げるためにはどうすれば良いかといえば、命令ユニットを完全に並列動作させることだ。ところが、これは一見簡単に見えるがなかなか難しい。最大の問題は、命令とデータの依存関係にある。

例えば、
c = a+1; // (1)
d = b+1; // (2)
e = c+d; // (3)
なんて簡単なプログラムですら、(1)と(2)が終わるまで(3)は実行することができない。厳密に言えば、(1)と(2)の処理が終わり、レジスタに結果が書き出されるまで(3)の実行を開始できないと言うべきなのだが、意味するところは同じである。

勿論これはある程度回避できる。例えばプログラムがこんな短いものではなく
c = a+1; // (1)
d = b+1; // (2)
e = c+d; // (3)
h = f+1; // (4)
i = g+1; // (5)
j = h+i; // (6)
となっていれば、これを
c = a+1; // (1)
d = b+1; // (2)
h = f+1; // (4)
i = g+1; // (5)
e = c+d; // (3)
j = h+i; // (6)
という具合に書き換えてやれば良い。これならば、e=c+d;の演算を開始するまでに、cやdの値が決定できているから、処理を待たずに実行可能である。こうした並べ替えの作業はCPU内部のスケジューラで行うのが普通だが、スケジューラはそれほど大量の命令を同時に蓄えることはできないし、プログラムの意味解釈を行えるわけではない(あくまで命令・データの依存関係が無いものを先行して処理してゆく、という程度のものでしかない)から、並べ替えにも限界がある。ここから一歩踏み込んで行くためには、プログラムの意味解釈を行い、それにあわせた並べ替えを行う必要があるが、まだこれに関して確立した方法論は存在しないし、またハードウェアにインプリメントするのはかなり難しい。

「ならばスケジューラの仕事をソフトウェアでやってしまえ」というのが、ItaniumのQuantum Leapである。実際、これに関してはプログラムの実行イメージレベルで最適化するよりは、並べ替えの自由度の点や意味解釈の可能性の点でも、コンパイル時に最適化したほうが遥かに効率が良い。意味解釈に関しては、C/C++といった「最近の」言語ではあまり開発が続いていないが、Fortranなどではかなりのレベルに達しており、可能性としては遥かに大きい。

勿論、これはハードウェアからスケジューラを完全に取り去る事を意味してはいない。最終的なCPUの動作はコンテクスト・スイッチングを初めとするOSの動作に依存しており、プログラム中の動的分岐もあるから、100%、スケジューラをソフトウェアで実行することは不可能である。しかしながら、普通にプログラムを処理する際に、いわばプリスケジュールされたプログラムを整然と動作させられれば、実行ユニットの利用効率はきわめて高いものになるし、結果として処理性能はきわめて高いレベルを維持することができる。

この方式は、これまでには全く無い発想である。よく考えてみると、この方式によるデメリットはきわめて小さい事が判る。誰しもが思いつく欠点の一つは、ソフトウェアでそこまでスケジューリング可能か? というものだが、ハードウェアのスケジューリングより劣る理由はない。マルチタスクOSとは言っても、実際にはプロセスコンテクストを切り替えながら、特定のプログラムを実行しているわけで、複数のプログラムコードが入り混じる可能性は殆どない。となると、ハードウェアによるインプリメントでも、ソフトウェアによるインプリメントでも、スケジュールされるべき命令は当然予測可能なものである。端的に言えば、ハードウェアと全く同じインプリメントをコンパイラで行うだけでも、パイプラインのうちデコードの後のスケジュール段を省略することができ、その分パイプラインのステージ数を減らせるから、レイテンシを節約することができるわけだ。更に、広い範囲での命令の置き換えとか、意味解釈を行って発行すべき命令を調整するなどの処理が可能になれば、遥かに実行効率は上がるだろう。

もっともこれだけだと、命令の分岐には非常に弱いものになってしまうという欠点がある。このあたりをどう解決したか、を次回触れてみたい。

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第419回 MCUで遊ぼう Part2 (10)
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第417回 MCUで遊ぼう Part2 (8)
第416回 MCUで遊ぼう Part2 (7)
第415回 MCUで遊ぼう Part2 (6)
第414回 MCUで遊ぼう Part2 (5)
第413回 MCUで遊ぼう Part2 (4)
第412回 MCUで遊ぼう Part2 (3)
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