コンピュータアーキテクチャ

コンピュータサイエンスとコンピュータエンジニアリングにおいて、コンピュータアーキテクチャとは、コンポーネントパーツから構成されるコンピュータシステムの構造を記述したものです。 ^[1]実装の詳細を無視した高レベルの記述になることもあります。^[2]より詳細なレベルでは、命令セットアーキテクチャ設計、マイクロアーキテクチャ設計、ロジック設計、実装などが記述に含まれることがあります。^[3]

最初に文書化されたコンピュータアーキテクチャは、チャールズ・バベッジとエイダ・ラブレスの間の書簡で、解析エンジンについて説明されている。 1936年にコンピュータZ1を構築していたコンラート・ツーゼは、将来のプロジェクトのための2つの特許出願で、機械命令をデータに使用されるのと同じストレージに格納できること、つまりプログラム内蔵型の概念について説明している。^{[4] [5]}その他の2つの初期の重要な例は以下のとおりである。

• ジョン・フォン・ノイマンの1945年の論文「EDVACに関する報告書の第一草稿」では、論理要素の構成について説明されている。^[6]
• アラン・チューリングのより詳細な論文『自動計算エンジンのための電子計算機の提案』も1945年に発表され、ジョン・フォン・ノイマンの論文を引用している。^[7]

コンピュータ文献における「アーキテクチャ」という用語は、1959 年に IBM の主要研究センターのマシン構成部門に所属していたライル・R・ジョンソンとフレデリック・P・ブルックス・ジュニアの研究に遡ることができます。ジョンソンは、ロスアラモス国立研究所 (当時はロスアラモス科学研究所と呼ばれていました) 向けに IBM が開発したスーパーコンピュータである Stretchに関する独自の研究論文を書く機会を得ました。この贅沢に装飾されたコンピュータについて議論する際の詳細レベルを説明するために、ジョンソンは、フォーマット、命令タイプ、ハードウェアパラメータ、および速度強化に関する説明が「システムアーキテクチャ」のレベルであり、「マシン構成」よりも便利な用語であると述べました。^[8]

その後、ストレッチの設計者であるブルックスは、「コンピュータシステムの計画：プロジェクトストレッチ」という本の第2章の冒頭で、「コンピュータアーキテクチャは、他のアーキテクチャと同様に、構造のユーザーのニーズを決定し、経済的および技術的な制約内でそれらのニーズを可能な限り効果的に満たすように設計する技術です」と述べています。^[9]

ブルックスはIBM System/360シリーズの開発に携わり、その中で「アーキテクチャ」は「ユーザーが知っておくべきこと」を定義する名詞となった。^{[10] System/360シリーズは、現在の}IBM Zシリーズを含むいくつかの互換コンピュータシリーズに引き継がれた。その後、コンピュータユーザーはこの用語をあまり明確でない方法で使用するようになった。^[11]

最も初期のコンピュータアーキテクチャは紙の上で設計され、その後直接最終的なハードウェア形式に組み込まれました。 ^[12] その後、コンピュータアーキテクチャのプロトタイプは、 6800やPA-RISCのプロトタイプのように、トランジスタ - トランジスタロジック(TTL) コンピュータの形で物理的に構築され、最終的なハードウェア形式にコミットする前にテストされ、調整されました。1990 年代の時点では、新しいコンピュータアーキテクチャは通常、最終的なハードウェア形式にコミットする前に、コンピュータアーキテクチャシミュレータ内の他のコンピュータアーキテクチャ内、またはソフトマイクロプロセッサとしての FPGA 内、またはその両方で「構築」され、テストされ、調整されています。^[13]

コンピュータアーキテクチャの分野には3つの主要なサブカテゴリがあります。^[14]

• 命令セットアーキテクチャ(ISA):プロセッサが読み取って動作するマシンコード、およびワードサイズ、メモリアドレスモード、プロセッサレジスタ、およびデータ型を定義します。
• マイクロアーキテクチャ: 「コンピュータ構成」とも呼ばれ、特定のプロセッサがISAを実装する方法を説明します。 ^[15]たとえば、コンピュータのCPUキャッシュのサイズは、通常、ISAとは何の関係もない問題です。
• システム設計: CPU 以外のデータ処理 (直接メモリ アクセスなど)、仮想化、マルチプロセッシングなど、コンピューティング システム内のその他のすべてのハードウェア コンポーネントが含まれます。

コンピュータアーキテクチャには他の技術もあります。以下の技術はIntelのような大企業で使用されており、2002年にはコンピュータアーキテクチャ全体の1%を占めると 推定されました^{[14] 。}

• マクロアーキテクチャ:マイクロアーキテクチャよりも抽象的なアーキテクチャレイヤー
• アセンブリ命令セットアーキテクチャ: スマートアセンブラは、マシンのグループに共通する抽象アセンブリ言語を、異なる実装ごとにわずかに異なるマシン言語に変換することができます。
• プログラマが認識できるマクロアーキテクチャ:コンパイラなどの高水準言語ツールは、それらを使用するプログラマに対して一貫したインターフェースまたは契約を定義し、基礎となる ISA とマイクロアーキテクチャ間の違いを抽象化します。たとえば、C、C++、またはJava標準では、プログラマが認識できるさまざまなマクロアーキテクチャが定義されています。
• マイクロコード: マイクロコードは、チップ上で実行するために命令を変換するソフトウェアです。ハードウェアのラッパーのように動作し、ハードウェアの命令セット インターフェイスの優先バージョンを提供します。この命令変換機能により、チップ設計者は柔軟なオプションを利用できます。例: 1. チップの新しい改良バージョンでは、マイクロコードを使用して、古いチップ バージョンとまったく同じ命令セットを提供できます。そのため、その命令セットをターゲットとするすべてのソフトウェアは、変更を加えることなく新しいチップ上で実行されます。例: 2. マイクロコードは、同じ基盤チップに対してさまざまな命令セットを提供できるため、より多様なソフトウェアを実行できます。
• ピン アーキテクチャ:マイクロプロセッサがハードウェア プラットフォームに提供する必要があるハードウェア機能(例: x86ピン A20M、FERR/IGNNE、FLUSH)。また、外部キャッシュを無効化 (空にする) できるようにプロセッサが発行する必要があるメッセージ。ピン アーキテクチャ機能は、外部ハードウェアが新しいエンコーディングに適応したり、ピンからメッセージに変更したりできるため、ISA 機能よりも柔軟性があります。詳細な方法が変わっても、互換性のあるシステムに機能を提供する必要があるため、「アーキテクチャ」という用語が適しています。

コンピュータアーキテクチャは、コンピュータシステムのパフォーマンス、効率、コスト、信頼性のバランスに関係しています。命令セットアーキテクチャの例は、これらの競合する要素のバランスを説明するために使用できます。命令セットが複雑になると、1つの命令でより高レベルの抽象化をエンコードできるため、プログラマーはよりスペース効率の高いプログラムを作成できます ( x86 ループ命令など)。^[16]ただし、命令が長く複雑になると、プロセッサがデコードするのに時間がかかり、効果的に実装するにはコストがかかる可能性があります。命令セットが大きくなると複雑さが増すため、命令が予期しない方法で相互作用するときに信頼性が低下する余地も増えます。

実装には集積回路の設計、パッケージング、電力、冷却が含まれます。設計の最適化には、コンパイラやオペレーティングシステムからロジック設計やパッケージングに至るまでの知識が必要です。^[17]

命令セット アーキテクチャ(ISA) は、コンピューターのソフトウェアとハ​​ードウェア間のインターフェイスであり、プログラマーから見たマシンとも言えます。コンピューターは、Java、C++ 、または使用されているほとんどのプログラミング言語などの高水準プログラミング言語を理解しません。プロセッサは、通常は2 進数などの数値形式でエンコードされた命令のみを理解します。コンパイラなどのソフトウェア ツールは、これらの高水準言語をプロセッサが理解できる命令に変換します。

命令の他に、ISA はプログラムで使用できるコンピューター内の項目 (データ型、レジスタ、アドレッシング モード、メモリなど) を定義します。命令は、レジスタ インデックス (または名前) とメモリ アドレッシング モードを使用して、これらの使用可能な項目を特定します。

コンピュータの ISA は、通常、命令がどのようにエンコードされているかを説明する小さな取扱説明書に記載されています。また、命令の短い (漠然とした) ニーモニック名が定義されている場合もあります。名前は、アセンブラと呼ばれるソフトウェア開発ツールで認識できます。アセンブラは、ISA の人間が読める形式をコンピュータが読める形式に変換するコンピュータ プログラムです。逆アセンブラも広く利用されており、通常はデバッガやソフトウェア プログラムでバイナリ コンピュータ プログラムの不具合を分離して修正します。

ISA の品質と完全性はさまざまです。優れた ISA は、プログラマーの利便性 (コードの理解しやすさ)、コードのサイズ (特定のアクションを実行するために必要なコードの量)、命令を解釈するためのコンピューターのコスト(複雑度が高いほど、命令をデコードして実行するために必要なハードウェアが増える)、およびコンピューターの速度 (デコード ハードウェアが複雑になると、デコード時間が長くなります) の間で妥協します。メモリ構成は、命令がメモリとどのように相互作用するか、およびメモリがメモリ自体とどのように相互作用するかを定義します。

設計エミュレーション中、エミュレーターは提案された命令セットで記述されたプログラムを実行できます。最新のエミュレーターは、サイズ、コスト、速度を測定して、特定の ISA が目標を達成しているかどうかを判断できます。

コンピュータの構成は、パフォーマンスベースの製品の最適化に役立ちます。たとえば、ソフトウェア エンジニアはプロセッサの処理能力を知る必要があります。最低のコストで最高のパフォーマンスを得るために、ソフトウェアを最適化する必要があるかもしれません。これには、コンピュータの構成の非常に詳細な分析が必要になる場合があります。たとえば、SD カードでは、設計者は、できるだけ多くのデータを最速で処理できるようにカードを配置する必要があるかもしれません。

コンピュータの構成は、特定のプロジェクト用のプロセッサの選択計画にも役立ちます。マルチメディアプロジェクトでは、非常に高速なデータ アクセスが必要になる場合がありますが、仮想マシンでは高速な割り込みが必要になる場合があります。特定のタスクでは、追加のコンポーネントも必要になる場合があります。たとえば、仮想マシンを実行できるコンピュータでは、異なる仮想コンピュータのメモリを分離しておくために、仮想メモリハードウェアが必要です。コンピュータの構成と機能は、電力消費とプロセッサのコストにも影響します。

命令セットとマイクロアーキテクチャが設計されたら、実用的なマシンを開発する必要があります。この設計プロセスは実装と呼ばれます。実装は通常、アーキテクチャ設計ではなく、ハードウェア設計エンジニアリングと見なされます。実装はさらにいくつかのステップに分けられます。

• ロジック実装では、ロジックゲートレベルで必要な回路を設計します。
• 回路実装では、基本要素 (ゲート、マルチプレクサ、ラッチなど) のトランジスタレベルの設計だけでなく、論理ゲート レベルで実装される可能性のある、または設計で必要な場合は物理レベルでも実装される可能性のある、より大きなブロック ( ALU、キャッシュなど) の設計も行います。
• 物理的な実装では、物理的な回路を描画します。さまざまな回路コンポーネントがチップのフロア プランまたはボード上に配置され、それらを接続する配線が作成されます。
• 設計検証では、コンピュータ全体をテストして、あらゆる状況とタイミングで動作するかどうかを確認します。設計検証プロセスが開始されると、ロジック エミュレータを使用してロジック レベルの設計がテストされます。ただし、これは通常、現実的なテストを実行するには遅すぎます。そのため、最初のテストに基づいて修正を行った後、フィールド プログラマブル ゲート アレイ ( FPGA ) を使用してプロトタイプを構築します。ほとんどの趣味のプロジェクトはこの段階で終了します。最後のステップは、プロトタイプの集積回路をテストすることです。これには、いくつかの再設計が必要になる場合があります。

CPUの場合、実装プロセス全体が異なる方法で構成され、多くの場合CPU 設計と呼ばれます。

コンピュータ システムの正確な形式は、制約と目標によって異なります。コンピュータ アーキテクチャでは通常、標準、電力とパフォーマンス、コスト、メモリ容量、レイテンシ(レイテンシとは、1 つのノードからソースに情報が移動するのにかかる時間)、スループットの間でトレードオフが行われます。機能、サイズ、重量、信頼性、拡張性などの他の考慮事項も要因となる場合があります。

最も一般的な方式では、詳細な電力分析を行い、適切なパフォーマンスを維持しながら電力消費を低く抑える方法を見つけ出します。

現代のコンピュータのパフォーマンスは、多くの場合、クロック周波数におけるアーキテクチャの効率を測定するサイクルあたりの命令数(IPC) で表されます。IPC レートが速いほど、コンピュータが高速であることを意味します。古いコンピュータの IPC 数は 0.1 と低かったのに対し、現代のプロセッサは簡単に 1 近くに達します。スーパースカラープロセッサは、クロック サイクルごとに複数の命令を実行することで、3 ～ 5 IPC に達することがあります。^{[引用が必要]}

マシン言語命令を数えることは、異なる ISA でさまざまな量の作業を実行する可能性があるため、誤解を招く可能性があります。標準測定の「命令」は、ISA のマシン言語命令の数ではなく、通常はVAXコンピュータ アーキテクチャの速度に基づいた測定単位です。

かつては多くの人が、コンピューターの速度をクロック レート(通常はMHzまたは GHz) で測定していました。これは、CPUのメイン クロックの 1 秒あたりのサイクル数を指します。ただし、この測定基準はやや誤解を招きやすく、クロック レートが高いマシンが必ずしもパフォーマンスが高いとは限りません。その結果、メーカーはパフォーマンスの測定基準としてクロック レートを使用しなくなりました。

機能ユニットの組み合わせ、バス速度、使用可能なメモリ、プログラム内の命令の種類と順序など、他の要因も速度に影響します。

速度には、レイテンシとスループットという2 つの主な種類があります。レイテンシは、プロセスの開始から完了までの時間です。スループットは、単位時間あたりに実行される作業量です。割り込みレイテンシは、電子イベント (ディスク ドライブがデータの移動を完了したときなど) に対するシステムの保証された最大応答時間です。

パフォーマンスは、非常に幅広い設計上の選択によって影響を受けます。たとえば、プロセッサをパイプライン化すると、通常はレイテンシが悪化しますが、スループットは向上します。機械を制御するコンピュータでは、通常、割り込みレイテンシを低くする必要があります。これらのコンピュータはリアルタイム環境で動作し、指定された時間内に操作が完了しないと故障します。たとえば、コンピュータ制御のアンチロック ブレーキは、ブレーキ ペダルが感知されてから予測可能な制限時間内にブレーキをかけ始める必要があります。そうしないと、ブレーキが故障します。

ベンチマークでは、コンピュータが一連のテスト プログラムを実行するのにかかる時間を測定することで、これらすべての要素を考慮します。ベンチマークは長所を示しますが、コンピュータの選択方法にはなりません。測定されたマシンは、さまざまな基準で分かれることがよくあります。たとえば、あるシステムは科学的なアプリケーションをすばやく処理しますが、別のシステムはビデオ ゲームをよりスムーズにレンダリングする場合があります。さらに、設計者は、特定のベンチマークをすばやく実行できるが、一般的なタスクには同様の利点を提供しない特別な機能をハードウェアまたはソフトウェアを通じてターゲットにして製品に追加する場合があります。

電力効率は、現代のコンピュータにおけるもう 1 つの重要な測定基準です。電力効率が高いと、速度が低下したりコストが高くなったりすることがよくあります。コンピュータ アーキテクチャにおける電力消費量を表す一般的な測定基準は、MIPS/W (1 ワットあたり 1 秒あたりの命令数 (百万)) です。

現代の回路では、チップあたりのトランジスタ数が増えるにつれて、トランジスタあたりの必要な電力は少なくなっています。 ^[18]これは、新しいチップに搭載される各トランジスタが独自の電源を必要とし、それに電力を供給するための新しい経路を構築する必要があるためです。ただし、チップあたりのトランジスタ数の増加率は低下し始めています。したがって、電力効率は、1つのチップにさらに多くのトランジスタを詰め込むことと同じくらい、あるいはそれ以上に重要になり始めています。最近のプロセッサ設計では、1つのチップにできるだけ多くのトランジスタを詰め込むよりも、電力効率に重点が置かれているため、この点が強調されています。^[19]組み込みコンピュータの世界では、電力効率は長い間、スループットとレイテンシに次ぐ重要な目標でした。

クロック周波数の増加は、ここ数年、消費電力削減の改善に比べて緩やかに増加している。これは、ムーアの法則の終焉と、モバイル技術におけるバッテリー寿命の延長とサイズの縮小の要求によって推進されてきた。クロック周波数の向上から消費電力と小型化への焦点の変化は、インテルがHaswellマイクロアーキテクチャのリリースで報告した、最大50%の大幅な消費電力削減によって示されており、消費電力ベンチマークを30～40ワットから10～20ワットに引き下げた。^[20]これを、処理速度の3GHzから4GHzへの増加（2002年から2006年）と比較すると、研究開発の焦点がクロック周波数から消費電力の低減と占有スペースの削減へと移っていることがわかる。^[21]

• John L. HennessyおよびDavid Patterson (2006)。『コンピュータアーキテクチャ: 定量的アプローチ (第 4 版)』。Morgan Kaufmann。ISBN 978-0-12-370490-0。
• バートン、ロバートS.、「コンピュータの機能設計」、Communications of the ACM 4(9):405 (1961)。
• Barton, Robert S.、「デジタル コンピュータの機能設計への新しいアプローチ」、Western Joint Computer Conference の議事録、1961 年 5 月、393 ～ 396 ページ。Burroughs B5000コンピュータの設計について。
• Bell, C. GordonおよびNewell, Allen (1971)。「コンピュータ構造: 読み物と例」、McGraw-Hill。
• Blaauw, GA、およびBrooks, FP, Jr .、「System/360 の構造、パート I - 論理構造の概要」、IBM Systems Journal、第 3 巻、第 2 号、119 ～ 135 ページ、1964 年。
• Tanenbaum , Andrew S. (1979)。構造化コンピュータ組織。ニュージャージー州エングルウッドクリフス：Prentice-Hall。ISBN 0-13-148521-0。

ウィキメディア・コモンズには、コンピュータアーキテクチャに関連するメディアがあります。

• ISCA: コンピュータアーキテクチャに関する国際シンポジウムの議事録
• マイクロ: IEEE/ACM マイクロアーキテクチャ国際シンポジウム
• HPCA: 高性能コンピュータアーキテクチャに関する国際シンポジウム
• ASPLOS: プログラミング言語とオペレーティングシステムのアーキテクチャサポートに関する国際会議
• ACM アーキテクチャとコード最適化に関するトランザクション
• IEEE コンピュータに関する論文
• Wayback Machineのコンピュータ システムのフォン ノイマン アーキテクチャ(2017-10-31 アーカイブ)