【コラム】

セカンド・オピニオン

46 バスのアーキテクチャ - 過去から未来へ(7)

 

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○速度向上のための2つの方法 その2:Uni-Directional

さて、もう1つの高速化技法はUni-Directionalである。

通常、バスは送受信を1本の信号線で行っている。が、双方向の信号を1本の信号線で同時に送るのは通常不可能である。10BASE5/10BASE2で採用されたCSMA/CD(とりあえず送り出して、ぶつかったら送り直す)とか、ADSLなどで利用されている「送受信周波数をずらすことで、同時に送受信を行う」といった技術はあるため絶対無理という訳ではないが、CSMA/CDの場合は速度を上げると干渉の確率が極端に上がるため、実質的なバスの利用効率がグンと落ちるし、ADSL方式を実現するためにはバスの1本ごとに、現在のADSLモデムと同じ仕組みを用意する必要がある。しかも複数本のバスを並べると干渉が激しくなるであろうから、そうそう多数の信号を同時に送るのは容易ではない。というわけで、通常双方向の信号線は、図2-1に示すような構造を取っている。データラインの両端に送受信用のバッファがあるが、このバッファをコントロールする仕組みを用意して、送受信が同時に行われない様に細工しているわけだ。ただ、このためにデータ用とは別に送受信制御用のラインを用意する必要がある。

図2-1 Bi-Directional

「用意する必要がある」と簡単に書いたが、実はここがボトルネックになりやすい。これは調停プロトコルをちょっと考えれば容易に見当がつく。例えば左側が送信したいと思ったとする。その場合、コントロールラインを経由して右側のコントローラにその旨を送る必要があるが、ほぼ同タイミングで右側も送信したいと思った場合、そこの調停を行わなければならない。つまり、コントロールラインを1本の信号線で済ませようとすると、またもや送受信が同時に行われないための仕組みが必要になってしまうということになり、本末転倒ともいえる状態になる。

これを避けるため、例えばコントロールラインを複数設けるとか、信号レベルをHi/Loだけでなくマルチレベルにするとか、コントローラを両側に設けず、どちらか片側だけで管理するとか、実装方法は色々あるが、どれも一長一短である。コントロールラインを複数にすると、信号線の数が増える。マルチレベルの信号の場合、電圧レベルを更に上げないといけないので、制御信号の伝達速度を落とさなければいけない。コントローラを1つに減らすのは一番簡単だが、レイテンシが増える事になる。また根本的な問題として、いずれの方法でも送受信の切り替えオーバーヘッドがあるので、バスの利用効率が落ちてしまうという問題がある。

更に言えば、信号の高速化に伴い、送受信バッファが両方接続されていると、信号が乱れやすくなるという問題もある。送信だけ、受信だけとしたほうが、信号の乱れには強くなる。

こうした問題を解決するための方法がUni-Directionalである。何の事はない、図2-2の様に、2本の信号線に分けるだけである。これにより、切り替え時のオーバーヘッドは事実上なくなるし、信号自体も高速化できる。実際、前回説明したLVDSとこのUni-Directionalを組み合わせた解のひとつがHyperTransport Linkである。HyperTransport Linkは、最初のVersion 1.0ですら既存のFR-4基板上で最大1.6GHzまでの転送が可能であり、Version 2.0では3.2GHzを可能にするとしている。最小データ幅は2bitで、この場合だと双方向の構成で転送速度は800MB/sec(1.6GHz駆動の場合)、必要とする配線の数は24本でしかない(このあたりの構成の詳細は 【特集】Athlon 64が待ちきれない! - Opteronの実力を検証する 参照のこと)。PCIなどの既存バスを大幅に凌駕する性能を持っており、帯域に比して配線の数を減らせるから、相対的に設計は楽になる。

図2-2 Uni-Directional

ということで、「HyperTransport Linkは凄い」で話が終わればいいのだが、そうそう話は簡単にならない。現実問題として、HyperTransport Linkをフルスピードの1.6GHzで使えている例は極めて少ない。NVIDIAのnForce3 Proなどは1.2GHz駆動で、しかもDownLink(CPU→チップセット)は16bitだがUpLink(チップセット→CPU)は8bitという非対称構成を取っていたりする。勿論、帯域を考えればこれで十分という話もあるのだが、「これ以上上げるのが難しい」という事情もあったりする。このあたりを次回お話したい。

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第419回 MCUで遊ぼう Part2 (10)
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第415回 MCUで遊ぼう Part2 (6)
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