ビットスライス

ビットスライシングとは、ワード長を長くするために、より小さなビット幅のプロセッサモジュールからプロセッサを構築する技術であり、理論的には任意のnビットの中央処理装置（CPU）を作成することができます。これらの各コンポーネントモジュールは、オペランドの1ビットフィールドまたはスライスを処理します。グループ化された処理コンポーネントは、特定のソフトウェア設計で選択された完全なワード長を処理する能力を持つことになります。

ビットスライシングは、マイクロプロセッサの集積度が高まったことにより、ほぼ廃れてしまった。最近では、量子コンピュータの算術論理演算ユニット（ALU）や、 x86 CPUの暗号化などのソフトウェア技術として使用されている。^[¹^]

運用詳細

ビットスライスプロセッサ（BSP）は通常、1ビット、2ビット、4ビット、8ビット、または16ビットの算術論理演算ユニット（ALU）と制御線（ビットスライスではないCPU設計ではプロセッサ内部にあるキャリー信号やオーバーフロー信号を含む）を備えています。

例えば、2つの4ビットALUチップを制御線で区切って並べて配置することで、8ビットALUを構成できます。組み合わせは自由自在です。3つの1ビットユニットで3ビットALUを構成できます^{[ 2 ]。}さらにユニットを増やせばnビットALUを構成できます。4つの4ビットALUチップで16ビットALUを構築したり、8つのチップで32ビットワードALUを構築したりできます。設計者は、より長いワード長を操作するために必要な数のスライスを追加できます。

マイクロシーケンサまたは制御ROMは、ロジックを実行してデータと制御信号を提供し、構成要素であるALUの機能を制御するために使用されます。

既知のビットスライス型マイクロプロセッサ：

2ビットスライス：
- Intel 3000ファミリー（1974年、現在は生産終了）、例えばIntel 3002とIntel 3001はSigneticsとIntersilによって二次供給された^{[ 3 ]}
- Signetics 8X02ファミリー（1977年、現在は製造中止）^{[ 4 ]}
4ビットスライス：
- 主にIMP-00A/520 RALU（MM5750とも呼ばれる）と、各種マスクROMマイクロコードおよび制御チップ（CROM、MM5751とも呼ばれる）で構成される、ナショナルIMPファミリー。
  - ナショナルGPC/P/IMP-4（1973年）^{[ 5 ]}はロックウェルによって二次的に引用された。
  - ナショナルIMP-8は、IMPチップセットをベースにした8ビットプロセッサで、2つのRALUチップと1つのCROMチップを使用している。
  - ナショナルIMP-16は、IMPチップセット（例えば、IMP16A/521DおよびIMP16A/522D CROMチップをそれぞれ1つずつ含む4つのRALUチップ）をベースとした16ビットプロセッサです（オプションのCROMチップを追加することで、命令セットを追加できます）。
- AMD Am2900ファミリー（1975年）、例：AM2901、AM2901A 、^{[ 6 ]} AM2903 ^[⁶^]
- モノリシックメモリ5700/6700ファミリー（1974年）^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}例：MMI 5701 / MMI 6701 、 ITTセミコンダクターズによる二次供給
- テキサス・インスツルメンツのSBP0400（1975年）とSBP0401は、最大16ビットまでカスケード接続可能。
- テキサス・インスツルメンツSN74181 (1970)
- Texas Instruments SN74S281とSN74S282
- テキサス・インスツルメンツSN74S481とSN74S482 (1976) ^{[ 11 ]}
- フェアチャイルド33705 ^[⁶^]
- フェアチャイルド9400（マクロロジック）、4700
- Motorola M10800ファミリー（1979年）^{[ 12 ]}例MC10800 ^{[ 6 ]}
- レイセオンRP-16は、4つのRALUチップと3つのCROMチップを使用した7つの集積回路からなる16ビットプロセッサである。

8ビットスライス：
- Four-Phase Systems AL1（1969年、商用製品に使用された最初のマイクロプロセッサの一部と考えられている）
- テキサス・インスツルメンツSN54AS888 / SN74AS888
- フェアチャイルド 100K ^[⁶^]
- ZMD U830C ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}^{[ 15 ]} (1978/1981)、最大32ビットまでカスケード接続可能
16ビットスライス：
- AMD Am29100ファミリー
- シノプシス 49C402
- ZFTロボトロン／ZFTMドレスデン U840（1979/1982）、未発売

歴史的必然性

ビットスライシングは、当時はそのように呼ばれていなかったものの、大規模集積回路（LSI、今日の VLSI、すなわち超大規模集積回路の前身）が登場する以前のコンピュータでも使用されていた。

最初のビットスライス方式のマシンは、1946年から1951年にかけて製造されたWhirlwind I ^{[ 16 ]}でした。そのフロアプランには、CPUレジスタと算術回路が配置されたA列のように、密接に関連し、高度に相互接続された回路のグループごとに「リレーラック」（略して「ラック」）の列がありました。1列内では、16ビットワード内の各ビット位置の回路は、A列のラックA0～A15のように、個別のラックに配置されていました。

ラック内には、特定の機能の回路を収容するパネルが配置されていた。A列のラックには、上から順に、命令レジスタ（「プログラムレジスタ」とAレジスタ）、プログラムカウンタ、BレジスタとI/Oレジスタ、アキュムレータ（演算が行われる場所）、チェックレジスタ、比較レジスタのパネルが配置されていた。これにより、A0～A15の各ラックは同一構成となり、各ラック内の対応するパネルも同一構成となった。

ビットスライス方式を採用した第一世代のコンピュータとしては、1952年から1953年にかけてMITでWhirlwind研究の一環として構築されたMemory Test Computerや、1956年から1958年にかけてケンブリッジ大学数学研究所で構築されたEDSAC 2などが挙げられる。

第2世代（ディスクリートトランジスタ）マシンでは、ビットスライシングを使用して回路を同一のプラグインモジュールの列に分割し、各モジュールが複数のレジスタの1ビットずつを保持しました。1つの例^{[ 17 ]}は、18ビットのメモリアドレスを持つ36ビットマシンであるPDP-6で、9ビットのシフトカウントおよび浮動小数点指数レジスタを9個のタイプ6203モジュールが保持し、複数の36ビット算術レジスタを36個のタイプ6205モジュールが保持し、複数の18ビットのメモリアドレス関連レジスタを18個のタイプ6206モジュールが保持していました。

1970年代半ばから1980年代後半にかけては、コンピュータシステムを正常に動作させるために必要なバス幅について議論が交わされていました。当時のシリコンチップ技術や部品は現在よりもはるかに高価でした。よりシンプルで安価なALUを複数使用することで、費用対効果の高い方法で演算能力を向上させると考えられていました。当時、32ビットマイクロプロセッサは議論されていましたが、実際に生産されていたものはほとんどありませんでした。

UNIVAC 1100互換シリーズのメインフレーム（1962年に登場した最も古いシリーズの1つ）は36ビットアーキテクチャを採用しており、1979年に導入された1100/60は、最新の集積回路を使用しながら必要なワード幅を実現するために、9個のMotorola MC10800 4ビットALU ^{[ 12 ]}チップを使用していた。^{[ 18 ]}

当時、16ビットプロセッサは一般的だったものの高価であり、Z80などの8ビットプロセッサは黎明期の家庭用コンピュータ市場で広く使用されていた。

コンポーネントを組み合わせてビットスライス製品を生成することで、エンジニアや学生は、市販のコンポーネントをカスタマイズして使用することで、より高性能で複雑なコンピュータをよりリーズナブルなコストで構築できるようになった。ALUの詳細が既に仕様化され（そしてデバッグ済みであったため）、新しいコンピュータアーキテクチャの構築に伴う複雑さは大幅に軽減された。

最大の利点は、ビットスライシングによって、当時NMOSやCMOSトランジスタよりもはるかに高速にスイッチングするバイポーラトランジスタを、より小型のプロセッサでも経済的に使用できるようになった点です。これにより、DSP機能や行列変換など、速度が求められる場面で、はるかに高いクロック周波数を実現することが可能になりました。また、Xerox Altoのように、シングルチップCPUが実現する以前に、柔軟性と速度を両立させることもできました。

現代の用途