【コラム】

セカンド・オピニオン

40 バスのアーキテクチャ - 過去から未来へ(1)

大原雄介  [2003/08/07]

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○承前 - 打ち合わせってのはこんなもんです

NuCoreの連載もぼちぼち終わりが見えてきたなぁ、というある日の事。どこぞの発表会の帰り、編集部のW氏と蕎麦を食べながら「次は何にしましょうかねぇ」なんて話をしていた。

「んー、ちょっとNuCoreでPCから離れてちゃってますし、このあたりで普通のPCの話に戻りませんか?」
「普通のPCっていってもねぇ、んじゃCPUの中のフリップフロップ回路について熱く語るとか」
「いやあの、もう少しマクロな話を。こう、例えばバスなんてどうですか? 最近色々なバスが出てきて判りにくいですし」
「バスねぇ。んじゃ、S-100バスから順に説明してゆくとか」
「いやあの、もう少し最近のものから始めていただけると」
「XTバス?」
「いや、もう少し現在の」

大体において打ち合わせなんてこんなもんである。まぁこうした真剣な(?)打ち合わせの末、バスについて少し語ってみようという事になった。お付き合いいただければ幸いである。

○History - 繰り返すトレンド

「バス」を広義に捉えると、「デバイスとデバイスを繋ぐインタフェース」という事になる。ただ、狭義に捉えると「複数(3つ以上)のデバイスを繋ぐインタフェース」という解釈もありえる。つまり、Point to Point接続はバスと呼ばない、という考え方である。このあたりはこの後の議論でゆっくり触れてゆくとして、とりあえずトレンドを見てみると
・SerialとParallel
・SynchronousとAsynchronous
・PacketingとBurst
・Sequential TransactionとMulti Transaction
etc...
と、バスを規定するパラメータがたびたび入れ替わることが特徴である。例えばPCの拡張バスを考えてみよう。XT Bus(8bit)→AT Bus(16bit)→EISA Bus(32bit)という進化は、ひたすらバス幅を増やす方向の進化だったから、これは素直にParallel化と捉えられる。ところがEISA Bus→PCI Busの場合、動作速度の高速化(8MHz→33MHz)やMulti Transaction(Delay Transaction など)、それに一部のPacketingが含まれる。さて、ここからPCI Expressへ進化する際、Parallel→Serialの変化が起きている。

つまり、33MHzの信号線を32本並べる代わりに、2.5GHzの信号線1本に集約するという方式である。ところがPCI Expressの場合、1本の実効転送レートは125MB/secでしかなく、これでは全然スピードが足りない。そこでどうするかというと、またもやSerial→Parallelの変換である。つまりPCI Expressの信号線を複数本並べて同時に転送する事でトータルの転送速度を稼ぐという仕組みで、こうなると何がSerial Busなのか全然理解できなかったりする。ちなみPCI Expressは今後10年程度の間、主要なインタフェースの座につく事がほぼ約束されているが、その後となると、もはや銅配線を使っての接続は難しいと考えられている。

これに向けて、光インターコネクトの研究が進んでおり、適切な光送受信モジュールさえあれば1~2桁の高速化が可能といわれている(実験室レベルでは100Gbpsオーバーはあたりまえだし、バックボーン向けに10Gbpsクラスのモジュールは既に商品化されて広く利用されているが、コンシューマ向けに考えると現状では大きさとコストが論外なレベルである)。恐らくこれが実用化される頃には、PCI Expressは5GHz動作で8xもしくは16x、つまり信号で言えば16bitもしくは32bit幅が一般的になっていると思われ、ここでまたParallel→Serialの遷移が発生するという次第だ。こうした繰り返しが、バスには良く見られる。

似たような話は他にもある。元々は68Kのバスとして使われていたが、その後は工業用の汎用バスとして広く利用されるようになったVME Busの場合、昔はAsynchronousモードで、その後Synchronousモードが追加されたわけだが、当初、Asynchronousモードの特徴の説明はというと「Asynchronousだから高速」だったのが、Synchronousモードが追加されるときには「Synchronousだから高速」に変わっており、あまりの豹変振りに笑った記憶があるのだが、こうした話は珍しくない。技術が進化するにつれ、当時は合理的だった方式が非合理的になってしまい、こうした交代が発生する。

この例にしても、原理的にはAsynchronousの方が高速なのである。Synchronousの場合、どうやっても1クロック分の時間単位での動作となるから、例えば0.5クロック分でトランザクションが終わったとしても1クロック分待たされる訳で、この点では、無駄に待たないAsynchronousの方が高速に動作する「可能性がある」。が、実際にはバスインタフェースもSynchronous回路で動作しているから、バスだけAsynchronousで高速化してもインタフェースが追いつかないし、むしろAsynchronousで必要とされるハンドシェイクのハンドリング(Synchronousだと、例えば2クロック待って処理を始めるという事ができるが、Asynchronousではこうした処理は不可能なので、いちいち通信ハンドシェイクが必要である)がオーバーヘッドになる可能性の方が高い。ただ、将来仮にAsynchronous回路が普及したら、今度はAsynchronousのバスが普及し始める可能性が高いといった話だ。

こうしたバスの様々な特性に関し、切り口を色々変えながら順に紹介して行きたいと思う。

バックナンバー
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インデックス

連載目次
第421回 MCUで遊ぼう Part2 (12)
第420回 MCUで遊ぼう Part2 (11)
第419回 MCUで遊ぼう Part2 (10)
第418回 MCUで遊ぼう Part2 (9)
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)
第411回 MCUで遊ぼう Part2 (2)
第410回 MCUで遊ぼう Part2 (1)
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第408回 MCUで遊ぼう(56)
第407回 MCUで遊ぼう(55)
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