コプロセッサ

コプロセッサは、プライマリプロセッサ (CPU )の機能を補完するために使用されるコンピュータプロセッサです。コプロセッサによって実行される操作には、浮動小数点演算、グラフィックス、信号処理、文字列処理、暗号化、または周辺機器とのI/O インターフェースなどがあります。プロセッサ集約型のタスクをメインプロセッサからオフロードすることで、コプロセッサはシステムパフォーマンスを高速化できます。コプロセッサを使用すると、コンピュータのラインをカスタマイズできるため、追加のパフォーマンスを必要としない顧客は、そのための料金を支払う必要がありません。

コプロセッサの自律性の度合いは様々です。一部 ( FPUなど)は、 CPUの命令ストリームに埋め込まれたコプロセッサ命令による直接制御に依存しています。その他のプロセッサは、それ自体が独立したプロセッサであり、非同期で動作できます。それでも、汎用コード用に最適化されていないか、特定のタスクの高速化に重点を置いた限定的な命令セットのために汎用コードには対応していません。これらは、ホストプロセッサ (CPU) がコマンドリストを構築し、ダイレクトメモリアクセス(DMA)によって駆動されるのが一般的です。PlayStation 2のEmotion Engineには、両方の動作モードが可能な、珍しいDSPのようなSIMDベクトルユニットが含まれていました。

メインフレーム コンピュータのプロセッサ時間を最大限に活用するために、入出力タスクはチャネル I/Oと呼ばれる別のシステムに委任されました。メインフレームは I/O 処理をまったく必要とせず、代わりに入力または出力操作のパラメータを設定し、チャネル プロセッサに操作全体を実行するように信号を送るだけで済みました。比較的単純なサブプロセッサを時間のかかる I/O フォーマットと処理専用にすることで、システム全体のパフォーマンスが向上しました。

浮動小数点演算用のコプロセッサは、 1970 年代にデスクトップ コンピュータに初めて登場し、1980 年代から 1990 年代初期にかけて一般的になりました。初期の 8 ビットおよび 16 ビット プロセッサは、ソフトウェアを使用して浮動小数点演算を実行しました。コプロセッサがサポートされている場合、浮動小数点計算を何倍も高速に実行できます。数値演算コプロセッサは、コンピュータ支援設計(CAD) ソフトウェアや科学技術計算のユーザーによく購入されました。AMD 9511、Intel 8231/8232、Weitek FPU などの一部の浮動小数点ユニットは周辺機器として扱われましたが、 Intel 8087、Motorola 68881 、National 32081などの他の浮動小数点ユニットは CPU とより密接に統合されていました。

コプロセッサの別の形式は、ビデオ ディスプレイ コプロセッサで、Atari 8 ビット コンピュータ、TI-99/4A、およびMSXホーム コンピュータで使用されており、「ビデオ ディスプレイ コントローラ」と呼ばれていました。Amigaカスタム チップセットには、 Copperと呼ばれるユニットと、メモリ内のビットマップ操作を高速化するブリッターが含まれています。

マイクロプロセッサが発達するにつれて、浮動小数点演算機能をプロセッサに統合するコストは低下しました。プロセッサ速度が高速になったため、密接に統合されたコプロセッサの実装も困難になりました。別個にパッケージ化された数学コプロセッサは、現在ではデスクトップ コンピュータでは一般的ではありません。ただし、コンピュータ ゲームでのリアルな3D グラフィックスの需要が高まったため、専用のグラフィックス コプロセッサの需要が高まっています。

オリジナルのIBM PCには、 Intel 8087 浮動小数点コプロセッサ (別名FPU )用のソケットが搭載されていました。これは、コンピュータ支援設計や数学を多用する計算に PC を使用するユーザーの間で人気のオプションでした。このアーキテクチャでは、コプロセッサによって浮動小数点演算が 50 倍程度高速化されます。たとえば、PC をワード プロセッサとしてのみ使用するユーザーは、テキスト操作のパフォーマンスを高速化しないコプロセッサの高額なコストを節約できました。

8087 は8086/8088と緊密に統合されており、8088 命令ストリームに挿入された浮動小数点マシン コード操作コードに応答しました。8087 のない 8088 プロセッサはこれらの命令を解釈できなかったため、FPU システムと非 FPU システム用に別々のバージョンのプログラムが必要でした。または、少なくとも実行時に FPU を検出して適切な数学ライブラリ関数を選択するテストが必要でした。

8086/8088 中央プロセッサ用の別のコプロセッサは、8089入出力コプロセッサでした。メモリから周辺機器へのデータ転送などの入出力操作に 8087 と同じプログラミング手法を使用し、CPU の負荷を軽減しました。しかし、IBM は IBM PC の設計にこれを使用しておらず、Intel はこのタイプのコプロセッサの開発を中止しました。

Intel 80386 マイクロプロセッサは、オプションの「数学」コプロセッサ ( 80387 ) を使用して、ハードウェアで直接浮動小数点演算を実行しました。Intel 80486DX プロセッサには、チップ上に浮動小数点ハードウェアが含まれていました。Intel は、浮動小数点ハードウェアを持たない低コストのプロセッサ 80486SX をリリースし、80487SX はピン接続が異なる完全な 80486DX であったため、インストール時にメインプロセッサが実質的に無効になる 80487SX コプロセッサも販売しました。^[1]

80486 以降の Intel プロセッサでは、浮動小数点ハードウェアがメイン プロセッサ チップに統合されました。統合の進歩により、浮動小数点プロセッサをオプション要素として販売するコスト上の利点はなくなりました。75 MHz プロセッサ速度に適した回路基板技術を、ギガヘルツ レンジのクロック速度で必要な時間遅延、電力消費、および無線周波数干渉の標準に適合させることは非常に困難です。これらのオンチップ浮動小数点プロセッサは、メイン CPU と並行して動作するため、今でもコプロセッサと呼ばれています。

8ビットおよび16ビットのデスクトップコンピュータの時代、浮動小数点コプロセッサのもう一つの一般的な供給元はWeitekでした。これらのコプロセッサはIntelコプロセッサとは異なる命令セットを持ち、すべてのマザーボードがサポートしているわけではない別のソケットを使用していました。WeitekプロセッサはIntel x87ファミリのように超越数学関数（三角関数など）を提供しておらず、その機能をサポートするために特定のソフトウェアライブラリが必要でした。^[2]

モトローラ68000ファミリには、インテル プロセッサと同様の浮動小数点速度の高速化を実現する68881/68882コプロセッサが搭載されていた。68000 ファミリを使用しているがハードウェア浮動小数点プロセッサを搭載していないコンピュータは、ソフトウェアで浮動小数点命令をトラップしてエミュレートすることができ、速度は遅いものの、両方のケースでプログラムの 1 つのバイナリ バージョンを配布することができた。68451 メモリ管理コプロセッサは、68020 プロセッサで動作するように設計された。^[3]

2001 年現在、グラフィック カードの形態をとる^{[アップデート]}専用のグラフィック プロセッシング ユニット ( GPU ) は一般的になっています。サウンド カードの特定のモデルには、1990 年から 1994 年にかけて、デジタル マルチチャンネル ミキシングとリアルタイム DSP 効果を提供する専用プロセッサが搭載されていました ( Gravis UltrasoundとSound Blaster AWE32が代表的な例)。一方、Sound Blaster AudigyとSound Blaster X-Fiは、より最近の例です。

2006 年、AGEIA はPhysX PPUと呼ばれるコンピューター用のアドイン カードを発表しました。PhysX は複雑な物理計算を実行するように設計されており、CPUと GPU が時間のかかる計算を実行する必要がありません。これはビデオ ゲーム用に設計されましたが、理論的には他の数学的用途にも使用できます。2008 年に Nvidia が同社を買収し、PhysX カード ラインを段階的に廃止しました。この機能はソフトウェアによって追加され、Nvidia PhysX エンジン ソフトウェアを使用して、通常はグラフィック処理に使用されるコアで GPU が PhysX をレンダリングできるようになりました。

2006 年、BigFoot Systems は、400 MHz で動作する FreeScale PowerQUICC上で独自の特別な Linux カーネルを実行する KillerNIC と名付けた PCI アドイン カードを発表しました。同社はFreeScale チップをネットワーク プロセッシング ユニット(NPU) と呼んでいました。

SpursEngineは、Cellマイクロアーキテクチャに基づくコプロセッサを搭載したメディア指向のアドイン カードです。SPU自体はベクター コプロセッサです。

2008 年、Khronos グループは、コンピューティング カーネル用の単一の共通言語を使用して、汎用 CPU、ATI/AMD、Nvidia GPU (およびその他のアクセラレータ) をサポートすることを目的としてOpenCL をリリースしました。

2010 年代には、一部のモバイル コンピューティング デバイスがセンサー ハブをコプロセッサとして実装していました。モバイル デバイスでのセンサー統合の処理に使用されるコプロセッサの例としては、 Apple M7および M8モーション コプロセッサ、Qualcomm Snapdragon Sensor CoreおよびQualcomm Hexagon、Microsoft HoloLensのHolographic Processing Unitなどがあります。

2012年にIntelはIntel Xeon Phiコプロセッサを発表しました。^[4]

2016年現在^{[アップデート]}、さまざまな企業が、視覚やその他の認知タスク用の人工ニューラルネットワークを高速化することを目的としたコプロセッサを開発しており（ビジョンプロセッシングユニット、TrueNorth、Zerothなど）、2018年現在、このようなAIチップはAppleなどのスマートフォンや、いくつかのAndroidフォンベンダーのスマートフォンに搭載されています。

• MIPSアーキテクチャは、メモリ管理、浮動小数点演算に使用される最大4つのコプロセッサユニットと、グラフィックスアクセラレータなどの他のタスク用の2つの未定義コプロセッサをサポートします。^[5]
• FPGA (フィールドプログラマブルゲートアレイ)を使用すると、デジタル信号処理などの特定の処理タスクを高速化するためのカスタムコプロセッサを作成できます (例: Zynq は、ARMコアと FPGA を単一のダイ上に組み合わせます)。
• サーバーで使用されるTLS/SSL アクセラレータ。このようなアクセラレータはかつてはカードでしたが、現在では主流の CPU に暗号化用の命令が組み込まれています。
• 一部のマルチコアチップでは、プロセッサの 1 つがプライマリ プロセッサとなり、他のプロセッサがコプロセッサをサポートするようにプログラムできます。
• 中国のMatrix 2000 128コアPCI-eコプロセッサは、CPUを必要とする独自のアクセラレータであり、現在2Aと呼ばれている17,792ノードのTianhe-2スーパーコンピュータ（2つのIntel Knights Bridgeと2つのMatrix 2000をそれぞれ搭載）のアップグレードに採用され、速度が約2倍の95ペタフロップスとなり、世界最速のスーパーコンピュータを上回りました。^[6]
• エイコーン・コンピュータのさまざまなモデル、特にBBC MicroおよびBBC Masterシリーズ向けに、さまざまなコプロセッサが用意されていた。これらは、特殊なグラフィックスや演算デバイスではなく、セカンドプロセッサと呼ばれる汎用 CPU (主に 6502、Zilog Z80、National Semiconductor 32016、ARM 1) であり、通常は Tube と呼ばれるメッセージ パッシング アーキテクチャを使用してホスト システムとインターフェイスされていた。エイコーンの自社製品では、メモリとインターフェイス回路を備えたBBC Micro 拡張ユニットでこのようなプロセッサを提供していた。ソフトウェアはセカンドプロセッサ上で独立して実行でき、ホスト システムの作業をオフロードして入出力タスクを実行させるようにアプリケーションを書くことで、高速化を図ることができた。さまざまな製品でさまざまな CPU が利用できるため、このようなコプロセッサを搭載した BBC Micro では、CP/M、DOS、Unix などの他のプロセッサ アーキテクチャのオペレーティング システムと、付属ソフトウェアを実行できた。

時間の経過とともに、 CPU は最も一般的なコプロセッサの機能を吸収する傾向にあります。FPU は現在、プロセッサのメイン パイプラインの不可欠な部分と見なされています。SIMDユニットはマルチメディアを加速し、さまざまなDSPアクセラレータ カードの役割を引き継ぎました。さらに、GPU もCPU ダイに統合されるようになりました。それでも、デスクトップ マシン以外では、追加のパワーを必要とする専用ユニットが依然として人気があり、メインのプロセッサ製品ラインとは独立して進化を続けています。

ウィキメディア・コモンズには、コプロセッサに関連するメディアがあります。

• マルチプロセッシング、単一のコンピュータシステム内で2つ以上のCPUを使用する
• Torrenza、AMD プロセッサのコプロセッサ サポートを実装する取り組み
• 異機種プラットフォーム間で実行されるプログラムを作成するためのOpenCLフレームワーク
• 非対称マルチプロセッシング
• AIアクセラレータ