【コラム】

セカンド・オピニオン

27 64bit Rhapsody 新しい地平を切り開くItanium(7)

 

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○Itaniumの誤算(2)

前回( http://pcweb.mycom.co.jp/news/2003/04/04/06.html )、Itaniumの誤算として出荷の遅れとこれに伴う性能の(相対的な)低下を挙げた。では、2つ目の誤算は何か? というと、これは現在でも多くの指摘があるが、Itanium用コンパイラが思ったほど最適化したコードを出してくれない事である。

Itaniumの場合、命令長は128bitとなっている(これをItaniumではバンドルと呼ぶ)。この128bitに、41bitの命令3つと、5bitからなるテンプレートと呼ばれる指示部を持つ。命令自体は、処理内容によって長さが変わり、1つの命令で済むものもあれば、3~4つの命令が必要なものもある。そこで、この処理に必要な命令を命令グループと呼ぶ。

そして、テンプレートは
・実行命令ユニットの指定:3つの命令について、どの命令がどの実行ユニットを使うかの指定を行う。テンプレート中の4bitはこれに当てられており、12種類の組み合わせが用意されている。
・命令グループ境界の指定:Itaniumは複数のバンドルにまたがって命令グループを処理することができるので、そのバンドルで命令グループが終わりか否か、をテンプレート中の1bitで示す。
といった働きをする。こうすることにより、命令グループ自体は並列に実行され、その際にどの実行ユニットでどの命令を実行するかは、命令自体を解釈しなくてもテンプレートを参照するだけで解決するので、動的な命令スケジューリングから開放される、というのがEPICの特徴である。ちなみに実行ユニット指定は、命令をM(メモリ操作)、I(整数演算)、F(浮動小数点)、B(分岐制御)の4種類に分かれている。

この命令投入方法は効果的に見える。一見、ユニット指定の数が足りないように見えるが(単純な組み合わせの総数は4の3乗で64通り)、実際には重複があるのでこれは問題にはならない。この結果、確かにCPU内部で命令の依存性の確認を行ったりする必要はなくなっており、スケジューリングの必要性は事実上なくなっているから、回路はシンプルである。にもかかわらず実際には効果的でないのはなぜか、というとロードストアが力不足なためである。

初代Itaniumの場合、実行ユニットは
メモリ演算:ロード・ストア各1
整数演算:4
浮動小数点演算:2
浮動小数点演算(SIMD):2
分岐処理:3
となっている。演算ユニットの多さに対してロード・ストアが力不足に見えるのが特徴であるが、おそらく演算性能に見合うだけのメモリアクセス性能を持たせるのは不可能だし(それを強引に可能にしてしまったのがOpteronである)、大量にシャドウレジスタを搭載して演算はこれで賄い、一方「命令グループ」の利点を生かして常にロードストアユニットを動かしてゆくことでメモリアクセスのレイテンシを遮蔽すれば良い、と考えたのだろう。従って、あとはうまくロードストアユニットをフルに生かせるようなアプリケーションコードを実行するだけでよいはずであった。

ところが実際には、これが相当難しかったようだ。こうした考えに沿った処理を行うにはデータのプリフェッチを積極的にかけながら、ライトバックをまとめてかけるような処理を積極的に行わなければならない。扱うデータ量が小さいアプリケーションならばともかく、データ量が爆発的に大きくなると、これが十分に機能しない状況に陥るようになった。

例として1,000×1,000ほどの配列計算を考えてみる。列方向に順次アクセスを掛けながら計算するような場合、そのプリフェッチは簡単である。が、行と列がどちらも異なるようなアクセスをしながらの計算では、プリフェッチは非常に難しくなる。行列サイズが小さければ、一気にシャドウレジスタに読み込んでおき、順次使うといった技もあるが、これも限界がある。解としては、極めて精密にコードの意味解釈を行ってプリフェッチを厳密に行うか、巨大な配列を取り扱える程度の小さな配列に分解し、各々について処理するといった事になる。ただ後者は前者より更に技術的難易度が高く(普通こうした事はプログラムコード自体を変更して対処し、コンパイラレベルでの最適化では行わない)、現実解ではない。そしてItanium用に当初提供されたコンパイラでは、こうした対策が殆ど行われていなかったようで、結果としてちょっと大きいデータを扱った瞬間に、一気に性能が低下するという状況に陥った。

こうした状況では、むしろ通常のCPUの方がより高速に動作する。というのは、データのロード・ストアが性能に密接に関係していることをよく弁えているから、かなり潤沢にロードストアユニットを装備している(例えばAMDのAthlonは、整数演算用だけで3組のロード・ストアユニットを持っている)し、命令レベルのスケジューリングが可能なので、命令投入順ではなく、必要なデータが揃った順に命令を実行する事が可能になっている。ところがItaniumではこうした事が一切不可能であり、結果として無駄にパイプラインストールが発生していたわけだ。

これは、ItaniumとItanium 2の違いを見る事でも明らかである。Itanium 2は
メモリ演算:ロード・ストア各2
整数演算:6(うち4つはメモリ命令を実行可能)
浮動小数点演算:2
浮動小数点演算(SIMD):1
分岐処理:3
という命令セットを持ち、またFSBの高速化やキャッシュの高速化・大容量化を図っている。要するにCPU自体のロードストア能力を徹底的に向上させると共に、レイテンシを削減することでロードストアのペナルティを削減したわけだ。つまり、ソフトウェアの不備をハードウェアで補った、とも言える対策な訳で、いかにソフトウェアの最適化が難しいかを偲ばせる。

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http://pcweb.mycom.co.jp/column/sopinion.html

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