デシプリズム

デシプリズム

デザイナー	デジタル・イクイップメント・コーポレーション
ビット	32ビット
紹介された	1988年（中止）
デザイン	RISC
後継	DECアルファ
レジスター
64×32ビット汎用レジスタ 16×64ビットベクトルレジスタ

PRISM ( Parallel Reduced Instruction Set Machine ) ^[1]は、Digital Equipment Corporation (DEC)が開発した32 ビットRISC命令セット アーキテクチャ(ISA)でした。これは、 1982 年から1985 年にかけて行われた多数の DEC 研究プロジェクトの成果であり、プロジェクトは要件と計画された用途が絶えず変化したため、導入が遅れました。このプロセスにより、最終的に新しいUnix ワークステーションラインの設計を使用することが決定されました。microPrismバージョンの算術論理ユニット(ALU) の設計は 1988 年 4 月に完了し、サンプルが製造されましたが、浮動小数点ユニット(FPU) やメモリ管理ユニット(MMU) などの他のコンポーネントの設計は、DEC の経営陣がMIPSベースのシステムを採用してプロジェクトをキャンセルすることを決定した夏になってもまだ完了していませんでした。^{[2] PRISMアーキテクチャ用にコードネーム}MICAのオペレーティングシステムが開発され、PRISM上のVAX/VMSとULTRIXの両方の代替として機能する予定でした。^[3]

PRISM の中止は DEC に大きな影響を及ぼした。翌年、多くのチーム メンバーが同社を去った。特にDave CutlerはMicrosoftに移り、 Windows NTの開発を指揮した。MIPS ベースのワークステーションは、DEC の既存のUltrixユーザーの間ではそこそこ成功したが、Sun Microsystemsなどの企業と競合してはほとんど成功しなかった。一方、DEC のドル箱であるVAX 製品ラインは、新しい RISC 設計が最上位のVAX 9000よりも性能が上回るにつれて、次第に性能が低下していった。同社は VAX の将来を模索する中で、PRISM のようなプロセッサにいくつかの変更を加えることで、これらすべての市場に対応できるという結論に達した。PRISM が終わったところから、DEC Alphaプログラムが 1989 年に開始された。

1977 年に発表されたVAX はDEC にとって大成功となり、 IBM に次ぐ世界第 2 位のコンピュータ ベンダーとしての地位を固めました。VAX は、複雑なマイクロコードで実装された豊富な命令セット アーキテクチャ(ISA) で有名でした。VMSオペレーティング システムはこの ISA の上に階層化されており、割り込み処理とメモリ ページングに使用されるメモリ モデルに特定の要件が課されました。1980 年代初頭までに、VAX システムは「多くの技術主導型企業のコンピューティング ハブとなり、科学技術部門の稼働を支える VT-100 端末の縁に RS-232 ケーブルのスポークが伸びていました。」^[4]

この幸せな状況は、ムーアの法則によって規定された半導体製造の絶え間ない進歩によって覆されました。1980 年代初頭には、初期の VAX マシンと同等の性能を持ちながら、デスクトップのピザ ボックス フォーム ファクタに収まる、高性能な32 ビット シングルチップマイクロプロセッサが数多く登場しました。サン マイクロシステムズなどの企業は、モトローラ 68000 シリーズ ベースのUnix ワークステーションを発表しました。これは、巨大なマルチユーザー VAX マシンを、さらに高性能でありながら、必要なすべてのユーザーが購入できるほど安価なマシンに置き換えることができました。DEC のマイクロプロセッサ チームは、より低価格の VAX 実装シリーズを発表しましたが、システムの価格性能比は低下し続けました。1980 年代後半までに、DEC は技術市場から締め出されてしまいました。^[4]

1970 年代、IBM はコンピュータ システムのパフォーマンスに関する研究を行っていましたが、驚いたことに、コンピュータの時間の 80% が 5 つの操作の実行に費やされていることを発見しました。マイクロコードを使用して実装された ISA 内の他の何百もの命令は、ほとんど使用されませんでした。マイクロコードの存在により、命令のデコード時に遅延が発生し、5 つの命令の 1 つを直接呼び出しても、マイクロコードがない場合よりも遅く実行されました。これが、最初の現代的なRISCプロセッサであるIBM 801設計につながりました。^[5]

同じ頃、1979 年にデイブ パターソンがカリフォルニア大学バークレー校から休暇を取って、DEC の西海岸チームによる VAX マイクロコードの改善を手伝いました。パターソンはコーディング プロセスの複雑さに衝撃を受け、これは不可能だと結論付けました。彼は最初、マイクロコーディングの改善方法に関する論文を書きましたが、後に考えを変え、マイクロコード自体が問題であると判断しました。彼はすぐにバークレー RISCプロジェクトを開始しました。^[6] RISC の出現は、そのメリットについてコンピュータ業界内で長く続く議論を引き起こしました。パターソンが 1980 年に初めてこの概念の議論を概説したとき、DEC はそれを否定する反対意見を発表しました。^[7]

1980 年代半ばまでには、プロセッサ設計部門を持つほぼすべての企業が RISC アプローチの検討を開始しました。公式には無関心でしたが、DEC も例外ではありませんでした。1982 年から 1985 年にかけて、DEC のさまざまな部門で RISC チップを作成する試みが 4 回も行われました。カリフォルニア州パロアルトの DEC 西部研究所 (WRL) のTitanは、1982 年に開始された高性能ECLベースの設計で、 Unix の実行を目的としていました。SAFE ( Streamlined Architecture for Fast Execution ) は、同じ年に開始された 64 ビットの設計で、 Spacewar! で有名な Alan Kotok と Dave Orbits によって設計され、VMSの実行を目的としていました。HR-32 (ハドソン、RISC、32ビット)は、1984年にマサチューセッツ州ハドソンの工場でリッチ・ウィテックとダン・ドーバープールによって開発され、 VAXマシンのコプロセッサとして使用される予定でした。同年、デイブ・カトラーはワシントン州ベルビューのDECwestでCASCADEプロジェクトを開始しました。 ^[8]

最終的に、1985 年に Cutler は単一の RISC プロジェクトを定義するよう依頼され、Rich Witek をチーフ アーキテクトに選びました。1985 年 8 月に高レベル設計の最初のドラフトが提出され、詳細設計の作業が開始されました。PRISM 仕様は、Dave Cutler、Dave Orbits、Rich Witek、Dileep Bhandarkar、Wayne Cardoza の 5 人のチームによって数か月かけて開発されました。この初期の期間を通じて、社内で 32 ビットにするか 64 ビットにするか、商用ワークロードにするか技術ワークロードにするかなどについて議論が交わされ、設計は絶えず変更されました。^[8]

これらの絶え間ない変更により、最終的なISA仕様は1986年9月まで完成しませんでした。当時、基本コンセプトの2つのバージョンを作成することが決定され、DECwestはCrystalとして知られる「ハイエンド」 ECL実装に取り​​組み、Semiconductor Advanced DevelopmentチームはCMOSバージョンのmicroPRISMに取り組みました。この作業は1985年から1986年にかけて98%完了し、大規模なVAXclusterでのPete Benoitによるシミュレーションによって大きくサポートされました。^[8]

この時代を通じて、DEC のエンジニアリング部門全体では、RISC が本当に高速なのか、あるいはそのパフォーマンスを実証するために使用された単純な 5 行のプログラムで高速だっただけなのかについて、依然としてかなりの懐疑論が残っていた。Crystal の設計に基づいて、1986 年に開発中の当時最速のマシンであるVAX 8800と比較された。結論は明らかだった。つまり、一定の投資額に対して、RISC 設計は VAX の 2 倍の性能を発揮するということだった。^[9]

1987年半ば、両設計とも64ビットにするという決定が下されたが、これは数週間しか続かなかった。1987年10月、サンはSun-4を発表した。パターソンのRISC設計の商用版である16MHz SPARCを搭載したこの製品は、20MHzのモトローラ68020を使用した以前の最上位モデルSun-3の4倍の速度で動作した。このリリースで、DECは再びPRISMのターゲットを変更し、ワークステーション分野のみに狙いを定めた。その結果、microPRISMは32ビットシステムとして再指定され、Crystalプロジェクトはキャンセルされた。これによりさらなる遅延が発生し、プロジェクトは予定より大幅に遅れた。^[8]

1988年初頭、システムはまだ完成していませんでした。CPUの設計はほぼ完了していましたが、当時のVAX用RigelチップセットをベースにしたFPUとMMUはまだ設計中でした。 ^[8]チームはこれらの部分の設計作業を中止し、CPUに完全に集中することを決定しました。設計は1988年3月に完了し、 4月までにテープアウトされました。^[8]

PRISM の時代を通じて、DEC は会社の将来の方向性について大きな議論を巻き起こした。新しい RISC ベースのワークステーションが導入されるにつれて、VAX のパフォーマンス上の利点は絶えず損なわれ、価格性能比は完全に損なわれた。社内のさまざまなグループが最善の対応策を議論した。あるグループは VAX をハイエンドに移行し、ローエンドは Sun などのワークステーション ベンダーに任せることを主張した。これが VAX 9000プログラムにつながり、社内では「IBM キラー」と呼ばれた。他のグループは PRISM またはコモディティ プロセッサを使用してワークステーション市場に参入することを提案した。さらに他のグループは VAX を RISC プロセッサで再実装することを提案した。^[8]

より安価で高速な競合マシンに負けるケースが増えていることに不満を抱き、セントラルエンジニアリングとは別に、ワークステーションと UNIX/ Ultrixに注力しているパロアルトの小さなスカンクワークスグループが独自に、市販の RISC プロセッサを使用して新しいワークステーションファミリーを構築するというアイデアを思いついた。グループは十分な調査を行い、最終的にMIPS R2000 を選択した。このグループは開発マシンを入手し、Ultrix をシステムに移植したプロトタイプを作成した。MIPS との最初の打ち合わせからプロトタイプマシンの作成まで、わずか 90 日しかかからなかった。DEC バージョンの完全生産は 1989 年 1 月には開始できたが、PRISM ベースのマシンが完成するまでには少なくとも 1 年はかかった。^[8]

DEC 本社でこの問題が取り上げられたとき、どちらのアプローチが優れているかについて社内で意見が分かれた。ボブ・サプニックは、今後のプロジェクトレビューでこの問題を検討するよう依頼された。彼は、PRISM システムはより高速に見えるが、MIPS アプローチの方が安価で、市場投入もはるかに早いだろうという結論に達した。1988 年 7 月、同社の執行委員会による辛辣なレビュー会議で、同社は Prism をキャンセルし、MIPS ワークステーションとハイエンド VAX 製品を継続することを決定した。ワークステーションはDECstation 3100として登場した。^[8]

この時までに microPRISM のサンプルが返却され、ほぼ正常に動作していることがわかった。また、R2000 の 16 ～ 20 MHz に対して、50 ～ 80 MHz の速度で動作できることもわかった。これらの観察に基づくパフォーマンス予測では、既存および他のベンダーの発表済みの RISC 製品に比べてパフォーマンスが大幅に向上することが示唆された。ただし、設計が中止された付属の浮動小数点ユニットや、中止されたプロジェクトの一部であったこのような周波数で動作するために必要なキャッシュ インターフェイス チップがなければ、浮動小数点のパフォーマンス予測は仮説のままであった。^[10]

1988 年 7 月の会議の時点で、同社は RISC アプローチはワークステーション向けであるという立場にほぼ完全に傾いていた。しかし、PRISM のパフォーマンスは最新の VAX マシンと同等であり、RISC コンセプトには大きな成長の余地があった。会議が終わると、ケン・オルセンはSupnik に、VMS システムのパフォーマンスを RISC ベースの Unix システムと競合させる方法を調査するよう依頼した。^[11]

エンジニアのグループが、この問題を調査するために「RISCy VAX」または「Extended VAX」(EVAX)タスクフォースと呼ばれるチームを結成しました。^[11]夏の終わりまでに、グループは3つのコンセプトを調査しました。RISCのようなコアを持つVAX ISAのサブセット、ネイティブVAXコードを実行し、それをオンザフライでRISCコードに変換してキャッシュに格納する変換VAX、およびはるかに高性能なCISC実装である超パイプラインVAXです。これらのアプローチはすべて、単純なRISCマシンと競合できないという問題を抱えていました。^[12]

次にグループは、既存のVAXシングルチップソリューションとRISCチップの両方を組み合わせたシステムを検討した。これらの研究は、システムが必然的に低パフォーマンスの部分によって足かせとなり、説得力のある利点は提供されないことを示唆した。^[12]

この時点で、ナンシー・クロネンバーグは、人々が実行しているのは VAX ではなく VMS であり、VMS は割り込みとメモリ ページングのモデル化に基づいてハードウェアへの依存性がわずかしかないことを指摘しました。モデルのこれらの小さな部分が保存されている限り、VMS を RISC チップに移植できない理由はないようです。この概念に関するさらなる研究により、これは実行可能なアプローチであることが示唆されました。^[12]

Supnikは1989年2月にその結果の報告書を戦略タスクフォースに提出した。そこで2つの疑問が浮上した。RISC設計はUnix市場でもトップクラスの性能を発揮できるのか、マシンはオープンスタンダードであるべきなのか。そして、適切な修正を加えたPRISMアーキテクチャを採用することが決定され、最終的にはAlphaとなり、VMSを新しいアーキテクチャに移植する作業が始まった。^[13]

PRISMとMICAがキャンセルされた後、デイブ・カトラーはデジタル社を離れマイクロソフト社に移り、 Windows NTとして知られるようになるものの開発を担当した。カトラーのNTのアーキテクチャは、MICAの多くの側面から大きな影響を受けた。^{[14] [15] [16]}

整数演算に関しては、PRISM アーキテクチャはMIPS設計に似ています。命令の 32 ビットのうち、上位 6 ビットと下位 5ビットが命令で、残りの 21 ビットは定数またはレジスタ位置のエンコードに使用されます。MIPS の 32 ビット レジスタに対して、64 個の 32 ビット レジスタが含まれていますが、その他の使用方法は同様です。PRISM と MIPS はどちらも、他の主要な RISC 設計である Berkeley RISC の特徴であるレジスタ ウィンドウがありません。

PRISM の設計は、その命令セットのいくつかの側面で注目に値します。特に、PRISM にはEpicode (拡張プロセッサ命令コード) が含まれており、これは複数の実装にわたってオペレーティング システムに安定したABI を提供することを目的とした、いくつかの「特別な」命令を定義しています。Epicode には、22 個の 32 ビット レジスタの独自のセットが与えられています。後に、さまざまな方法で使用できる 16 個の 64 ビット ベクトル レジスタによってサポートされるベクトル処理命令のセットも追加されました。

• Comerford, Richard (1992 年 7 月)。「DEC が Alpha を開発した経緯」IEEE Spectrum 29 ( 7): 26–31. doi :10.1109/6.144508。
• シャイン、エドガー (2003) 。DECは死んだ、DEC 万歳。Berrett-Koehler。ISBN 9781576752258。
• Supnik, Bob (2008 年 2 月 24 日)。「MicroPrism」。コンピュータ歴史シミュレーション プロジェクト。

• bitsavers.org の Prism ドキュメント

• Bhandarkar, Dileep P. (1995). Alpha アーキテクチャと実装. Digital Press.
• Bhandarkar, D. 他 (1990.「高性能問題指向アーキテクチャ」)。Compcon Spring '90 の議事録、pp. 153–160。
• Conrad, R. 他 (1989)。「50 MIPS (ピーク) 32/64 b マイクロプロセッサ」。ISSCC技術論文ダイジェスト、pp. 76-77。