MIPSアーキテクチャプロセッサ

1985 年以来、 MIPS アーキテクチャのいくつかのバージョンを実装した多くのプロセッサが設計され、広く使用されてきました。

最初の MIPS マイクロプロセッサであるR2000 は、1985 年に発表されました。このプロセッサでは、ある程度独立したオンチップ ユニットに、複数サイクルの乗算および除算命令が追加されました。このユニットからプロセッサ レジスタファイルに結果を取得するための新しい命令が追加されました。これらの結果取得命令はインターロックされていました。

R2000 はビッグ エンディアンでもリトルエンディアンでも起動できます。31 個の 32 ビット汎用レジスタがありましたが、ステータス レジスタ(条件コード レジスタ(CCR)、設計者はこれが潜在的なボトルネックになると考えていました) はありませんでした。これはAMD 29000、DEC Alpha、およびRISC-Vと共通の機能です。他のレジスタとは異なり、プログラム カウンタには直接アクセスできません。

R2000 は最大 4 つのコプロセッサもサポートしており、そのうち 1 つはメインの中央処理装置(CPU) に組み込まれ、例外、トラップ、メモリ管理を処理し、残りの 3 つは他の用途に残されていました。これらのうちの 1 つは、オプションのR2010 浮動小数点ユニット(FPU)で埋めることができ、これには 32 個の 32 ビット レジスタがあり、倍精度用の 16 個の 64 ビット レジスタとして使用できます。

R3000は1988 年に R2000 の後継機として登場し、命令とデータ用の 32 KB (すぐに 64 KB に増設) のキャッシュと、キャッシュ コヒーレンスプロトコルの形式での共有メモリマルチプロセッシングのサポートが追加されました。R3000 のマルチプロセッシング サポートには欠陥がありましたが、いくつかの成功したマルチプロセッサ コンピュータで使用されて成功しました。R3000 には、当時の CPU に共通する機能である組み込みのメモリ管理ユニット(MMU) も含まれていました。R3000 は、R2000 と同様に、 R3010 FPU と組み合わせることができました。R3000 は市場で成功した最初の MIPS 設計であり、最終的に 100 万台以上が製造されました。最大 40 MHz で動作する R3000 の高速バージョンであるR3000A は、3200万命令/秒(MIPS)、つまりVAX パフォーマンス単位(VUP)のパフォーマンスを実現しました。 33.8688 MHz で動作するMIPS R3000A互換のR3051 は、FPU や MMU を備えていないものの、Sony PlayStationで使用されていたプロセッサです。サードパーティの設計には、Performance Semiconductor のR3400や IDT のR3500 などがあり、どちらも R3010 FPU を統合した R3000A でした。東芝のR3900 は、 Windows CE を実行する初期のハンドヘルド PC向けの事実上初のシステム オン チップ(SoC) でした。宇宙での使用向けに耐放射線性を強化した派生型であるMongoose-Vは、R3010 FPU を統合した R3000 です。

1991 年にリリースされたR4000シリーズは、MIPS を完全な 64 ビットワード設計に拡張し、FPU をメイン ダイに移動してシングル チップ マイクロプロセッサを形成し、導入時に 100 MHz という当時の高いクロック レートを実現しました。ただし、クロック周波数を実現するために、キャッシュはそれぞれ 8 KB に削減され、アクセスに 3 サイクルかかりました。高いクロック レートは、ディープパイプライン(当時はスーパー パイプラインと呼ばれていました) の方法によって実現されました。1993 年には、改良されたR4400が続きました。このシリーズは、16 KB のより大きなプライマリ キャッシュ、ほぼバグのない 64 ビット操作、およびより大きな L2 キャッシュのサポートを備えていました。

MIPS（現在はSilicon Graphics (SGI)の一部門であるMTI）は、さらに安価なR4300iのベースとなる低価格のR4200を設計した。このマイクロプロセッサの派生製品であるNEC VR4300は、 Nintendo 64ゲームコンソールで使用された。^[1]

元 MIPS 従業員が設立した別の会社であるQuantum Effect Devices (QED) は、 R4600 Orion、R4700 Orion、R4650、およびR5000を設計しました。R4000 ではクロック周波数を押し上げ、キャッシュ容量を犠牲にしていましたが、QED の設計では、わずか 2 サイクルでアクセスできる大容量キャッシュとシリコン領域の効率的な使用に重点が置かれていました。R4600 と R4700 は、SGI Indyワークステーションの低価格版や、36x0 および 7x00 シリーズ ルータなどの最初の MIPS ベースの Cisco ルータで使用されました。R4650 は、オリジナルのWebTV セットトップ ボックス(現在の Microsoft TV) で使用されました。 R5000 FPUはR4000 よりも柔軟な単精度浮動小数点スケジューリングを備えていたため、R5000 ベースの SGI Indy は、同じグラフィックス ハードウェアを搭載した同様のクロックのR4400 Indy よりもはるかに優れたグラフィックス性能を実現しました。SGI は、この改善を強調するために、R5000と組み合わせたときに古いグラフィックス ボードに新しい名前を付けました。QED は後に、コンピュータ ネットワーキングやレーザー プリンタなどの組み込みシステム市場向けにRM7000およびRM9000ファミリのデバイスを設計しました。QED は 2000 年 8 月に半導体メーカーのPMC-Sierraに買収されましたが、PMC-Sierra は MIPS アーキテクチャへの投資を継続しました。RM7000には、統合された 256 KB L2 キャッシュと、オプションの L3 キャッシュ用のコントローラが含まれていました。RM9xx0 は、メモリコントローラ、PCIコントローラ、ギガビット イーサネットコントローラなどのノースブリッジ周辺機器と、HyperTransportポートなどの高速 I/O を含む SOC デバイス ファミリでした。

R8000 (1994)は最初のスーパースカラMIPS 設計で、1 サイクルあたり 2 つの整数または浮動小数点命令と 2 つのメモリ命令を実行できました。この設計は 6 つのチップに分散しており、整数ユニット (16 KB の命令キャッシュと 16 KB のデータ キャッシュ)、浮動小数点ユニット、3 つの完全にカスタマイズされた二次キャッシュ タグ RAM (二次キャッシュ アクセス用に 2 つ、バス スヌーピング用に 1 つ)、およびキャッシュ コントローラ ASIC で構成されていました。この設計には、4 MB のオフチップ二次キャッシュからデータをストリーミングできる、完全にパイプライン化された 2 つの倍精度積和演算ユニットがありました。R8000 は、1990 年代半ばに SGI のPOWER Challengeサーバーで使用され、後に POWER Indigo2 ワークステーションで使用できるようになりました。その FPU パフォーマンスは科学分野のユーザーには非常に適していましたが、整数パフォーマンスが限られており、価格が高いため、ほとんどのユーザーにとって魅力が薄れていました。R8000 は 1 年間しか販売されず、現在でもかなり希少です。

1995 年に、R10000 がリリースされました。このプロセッサはシングルチップ設計で、R8000 よりも高いクロック周波数で動作し、32 KB のより大きなプライマリ命令キャッシュとデータ キャッシュを備えていました。これもスーパースケーラでしたが、主な革新はアウトオブオーダー実行でした。メモリ パイプラインが 1 つで FPU が単純化されていたにもかかわらず、整数パフォーマンスが大幅に向上し、価格が下がり、密度が高まったため、R10000 はほとんどの顧客にとって好ましいものとなりました。

その後の設計のいくつかは、R10000 コアに基づいています。R12000 では、0.25 マイクロメートル プロセスを使用してチップを縮小し、より高いクロック レートを実現しました。改訂されたR14000では、オフチップキャッシュ内のダブル データ レート同期ダイナミック ランダム アクセス メモリ( DDR SDRAM )スタティック ランダム アクセス メモリ(SRAM)のサポートが追加され、より高いクロック レートが可能になりました。後続のイテレーションはR16000およびR16000Aと名付けられ、以前と比較してクロック レートが高く、ダイ製造が小型化されています。

MIPS ファミリーの他のメンバーには、Bipolar Integrated Technology社が製造したエミッタ結合ロジック(ECL) 実装であるR6000があります。R6000 は MIPS II アーキテクチャを導入しました。そのトランスレーション ルックアサイド バッファ(TLB) とキャッシュ アーキテクチャは、MIPS ファミリーの他のすべてのメンバーとは異なります。R6000 は約束されたパフォーマンス上の利点を提供できず、コントロール データマシンで多少使用されたものの、すぐに主流の市場から姿を消しました。

1981年、ジョン・L・ヘネシーは、スタンフォード大学でRISC (縮小命令セットコンピュータ)技術を調査するため、インターロックされたパイプラインステージのないマイクロプロセッサ( MIPS )プロジェクトを開始しました。研究の結果、彼はこの技術の将来の商業的可能性を確信し、1984年に長期休暇を取ってMIPSコンピュータシステムを設立しました。同社は、 MIPSと名付けられた新しいアーキテクチャを設計し、1985年に最初のMIPS実装であるR2000を発表しました。R2000は改良され、1988年にR3000として設計が発表されました。これらの32ビットCPUは1980年代を通じて同社の基盤を形成し、主にSilicon Graphics (SGI)シリーズのワークステーション、後にDigital Equipment CorporationのDECstationワークステーションおよびサーバーで使用されました。 SGIの商用設計は、インターロックのほとんどをハードウェアで実装し、完全な乗算および除算命令（その他）を提供する点でスタンフォードMIPSから逸脱している。設計は、MIPS III 64ビット命令セット拡張を設計し、R4000マイクロアーキテクチャの作業を主導したソフトウェアアーキテクトのアール・キリアンによって部分的に指導された。^{[2] [3]}

1991 年に MIPS は最初の64 ビット マイクロプロセッサである R4000をリリースしました。しかし、MIPS はそれを市場に投入する際に財政難に陥りました。その設計は当時 MIPS の数少ない主要顧客の 1 つであった SGI にとって非常に重要であったため、SGI は 1992 年に同社を買収し、設計が失われないようにしました。新しい SGI の子会社はMIPS Technologiesと名付けられました。

1990 年代初頭、MIPS は自社の設計をサードパーティ ベンダーにライセンス供与し始めました。これは、コアが単純だったため、かなり成功しました。このため、以前は同様のゲート数と価格の、はるかに性能の劣る複雑な命令セット コンピュータ(CISC) 設計を使用していた多くの用途に使用できました。この 2 つは密接に関連しています。CPU の価格は通常、ゲート数と外部ピンの数に関係しています。Sun Microsystems は、SPARCコアのライセンス供与によって同様の成功を収めようとしましたが、それほど成功しませんでした。1990 年代後半までに、MIPS は組み込みプロセッサ分野の大手企業になりました。 MIPS Technologies Inc. によると、1997 年には MIPS ベースの CPU 出荷数が 4,800 万に達し、RISC CPU 市場シェアの 49% を占めるなど、急激な成長を遂げました。^[4] MIPS は非常に成功したため、SGI は 1998 年に MIPS Technologies をスピンオフさせました。2000 年代には、MIPS の収入の半分は設計のライセンス供与によるもので、残りの多くはサードパーティ向けのコアの設計契約によるものでした。

1999 年、MIPS Technologies は、ライセンスに関して、以前のバージョンの MIPS アーキテクチャを 32 ビットMIPS32 (MIPS II をベースに、MIPS III、MIPS IV、および MIPS V の一部の機能を追加したもの) と 64 ビットMIPS64 (MIPS V をベースにしたもの) の 2 つのアーキテクチャに置き換えました。日本電気株式会社 ( NEC )、東芝、およびSiByte (後にBroadcomに買収された) は、それぞれ MIPS64 が発表されるとすぐにライセンスを取得しました。その後、Philips、LSI Logic、およびIntegrated Device Technology (IDT) もこれに加わりました。今日、MIPS コアは、ハンドヘルド PCやセットトップ ボックスなどの コンピューターのようなデバイス市場で最も多く使用されている「重量級」 ^{[明確化が必要]}コアの 1 つです。

MIPS アーキテクチャはライセンス可能であるため、長年にわたっていくつかのプロセッサ新興企業を引き付けてきました。MIPS プロセッサを設計した最初の新興企業の 1 つは、 Quantum Effect Devicesです (次のセクションを参照)。R4300iを設計した MIPS 設計チームはSandCraft という会社を設立し、NEC 向けにR5432 を設計し、後に組み込み市場向けの最初のアウトオブオーダー実行プロセッサの 1 つであるSR71000 を製造しました。元のDEC StrongARMチームは最終的に 2 つの MIPS ベースの新興企業に分裂しました。1 つは SiByte で、最初の高性能 MIPS ベースのシステムオンチップ(SOC)の 1 つであるSB-1250を製造しました。もう 1 つはAlchemy Semiconductor (後にAMDに買収)で、低電力用途向けのAu-1000 SoC を製造しました。LexraはMIPSのようなアーキテクチャを使用し、オーディオチップ市場向けに DSP 拡張機能とネットワーク市場向けにマルチスレッドサポートを追加しました。 Lexra がアーキテクチャのライセンスを供与しなかったため、両社の間で 2 件の訴訟が起こされました。最初の訴訟は、Lexra が自社のプロセッサを MIPS 互換として宣伝しないと約束したため、すぐに解決しました。2 番目の訴訟 (非整列メモリ アクセスの処理に関する MIPS 特許 4814976 に関するもの) は長期化し、両社のビジネスに損害を与え、最終的に MIPS Technologies が Lexra に無償ライセンスと多額の現金支払いを与えることになりました。

MIPS アーキテクチャを使用したマルチコア プロセッサデバイスの構築を専門とする 2 つの企業が登場しました。Raza Microelectronics, Inc. は、倒産し​​た SandCraft から製品ラインを購入し、後に通信およびネットワーク市場向けに 8 つのコアを含むデバイスを製造しました。元々セキュリティ プロセッサ ベンダーであったCaviumも、同じ市場向けに 8 つの CPU コア、後に最大 32 のコアを備えたデバイスを製造しました。これらの企業はどちらもコアを社内で設計し、MIPS からコアを購入するのではなく、アーキテクチャのライセンスのみを取得しました。

MIPS プロセッサを使用したコンピュータワークステーションシステムを製造しているメーカーとしては、SGI、MIPS Computer Systems, Inc.、Whitechapel Workstations、Olivetti、Siemens-Nixdorf、Acer、Digital Equipment Corporation、NEC、DeskStationなどがあります。

このアーキテクチャに移植されたオペレーティング システムには、SGI のIRIX、MicrosoftのWindows NT (v4.0 まで)、Windows CE、Linux、FreeBSD、NetBSD、OpenBSD、UNIX System V、SINIX、QNX、および MIPS Computer Systems 独自のRISC/os が含まれます。

1990 年代初頭、MIPS やその他の強力なRISCプロセッサが Intel IA-32アーキテクチャを追い抜くだろうという憶測が流れた。これは、 MicrosoftのWindows NTの最初の 2 つのバージョンがAlpha、MIPS、PowerPCをサポートし、Clipper アーキテクチャとSPARCもサポートしていたことで促進された。しかし、Intel がPentiumクラス CPU のより高速なバージョンをすぐにリリースしたため、Microsoft Windows NT v4.0 では IA-32 と Alpha 以外のサポートが中止された。2007 年にSGIがItaniumおよび IA-32 アーキテクチャに移行することを決定し (2006 年の Chapter 11 破産^[5]に続く)、2009 年にRackable Systems, Inc.に買収されたため、MIPS/IRIX コンシューマー市場向けのサポートは当初の予定通り 2013 年 12 月に終了した。ただし、特別な状況や再生システムについてはサポート チームがまだ存在し、限定的に入手可能である。^[6]

1990 年代を通じて、MIPS アーキテクチャは、コンピュータ ネットワーク、電気通信、ビデオ アーケード ゲーム、ビデオ ゲーム コンソール、コンピュータ プリンタ、デジタルセットトップ ボックス、デジタル テレビ、DSLおよびケーブル モデム、パーソナル デジタル アシスタントなどの組み込み市場で広く採用されました。

組み込み MIPS 実装の低消費電力と低発熱特性、組み込み開発ツールの幅広い可用性、およびアーキテクチャに関する知識により、組み込み用途での MIPS マイクロプロセッサの使用は今後も一般的になり続けると考えられます。

近年、^さまざまな MIPS 世代で使用されているテクノロジのほとんどが、組み込みプロセッサ設計の構成要素として、半導体 IP コア (IP コア) として提供されています^。4Kおよび5K と呼ばれる 32 ビットと 64 ビットの両方の基本コアが提供^されています。これらのコアは、浮動小数点ユニット(FPU)、単一命令複数データ ( SIMD ) システム、さまざまな入出力(I/O) デバイスなど のアドイン ユニットと組み合わせることができます。

MIPS コアは商業的に成功しており、現在では多くの消費者および産業用途に使用されています。MIPS コアは、 Cisco、Linksys、Mikrotik の新しいルータボード ルータ、ケーブル モデム、非対称デジタル加入者線(ADSL) モデム、スマートカード、レーザー プリンタエンジン、セットトップ ボックス、ロボット、ハンドヘルド コンピュータに使用されています。携帯電話や PDA では、MIPS は競合する現行のARM アーキテクチャをほとんど置き換えることができませんでした。

MIPS アーキテクチャ プロセッサには、IDT RC32438、ATI/AMD Xilleon、Alchemy Au1000、1100、1200、Broadcom Sentry5、RMI XLR7xx、Cavium Octeon CN30xx、CN31xx、CN36xx、CN38xx、CN5xxx、Infineon Technologies EasyPort、Amazon、Danube、ADM5120、WildPass、INCA-IP、INCA-IP2、Microchip Technology PIC32、NEC EMMA および EMMA2、NEC VR4181A、VR4121、VR4122、VR4181A、VR4300、VR5432、VR5500、Oak Technologies Generation、PMC-Sierra RM11200、QuickLogic QuickMIPS ESP などがあります。東芝ドナウ、東芝TMPR492x、TX4925、TX9956、TX7901; KOMDIV-32、KOMDIV-64、 ELVEESロシア製 マルチコア。

MIPS アーキテクチャの興味深い、あまり一般的ではない用途の 1 つは、プロセッサ数が膨大なスーパーコンピュータです。Silicon Graphics (SGI) は、1990 年代初頭に、デスクトップ グラフィックス ワークステーションから高性能コンピューティング市場へと事業の焦点を移しました。同社が最初にサーバー システムに進出したR4400 とR8000、その後R10000 をベースにしたChallengeシリーズの成功により、SGI ははるかに強力なシステムを構築することになりました。統合型 R10000 の導入により、SGI はOrigin 2000というシステムを生み出すことができました。これは、最終的にはNUMAlink cc-NUMA 相互接続を使用して 1024 個の CPU まで拡張可能になりました。Origin 2000 からOrigin 3000シリーズが生まれ、最大 CPU 数は同じく 1,024 個でしたが、700 MHz までの R14000 および R16000 チップを使用しました。 SGI が Intel の Itanium IA-64アーキテクチャ に移行するという戦略的決定を下したため、2005 年に MIPS ベースのスーパーコンピュータは廃止されました。

高性能コンピューティングの新興企業であるSiCortexは、2007 年に超並列 MIPS ベースのスーパーコンピュータを発表しました。このマシンは、MIPS64 アーキテクチャと、Kautz グラフトポロジを使用した高性能インターコネクトに基づいています。このシステムは、電力効率が非常に高く、計算能力に優れています。^[要出典] このシステムの最も革新的な点は、6 つの MIPS64 コア、クロスバー スイッチ メモリ コントローラ、インターコネクトダイレクト メモリ アクセス(DMA) エンジン、ギガビット イーサネット、およびPCI Expressコントローラをすべて 1 つのチップに統合したマルチコア処理ノードです。消費電力はわずか 10 ワットですが、ピーク時の浮動小数点性能は 6 ギガFLOPSです。最も強力な構成である SC5832 は、このようなノード チップ 972 個で構成される単一キャビネットのスーパーコンピュータで、合計 5832 個の MIPS64 プロセッサ コアと 8.2 テラ FLOPS のピーク性能を備えています。

Loongsonは、中国科学院計算技術研究所（ICT）が設計したMIPS互換マイクロプロセッサのファミリーです。中国人が独自に設計したため、初期モデルはMIPS Technologiesが特許を取得した4つの命令をサポートしていませんでした。^[7] 2009年6月、ICTはMIPS TechnologiesからMIPS32およびMIPS64アーキテクチャのライセンスを取得しました。^[8] 2006年以降、多くの企業が低電力用に設計されたネットトップやネットブックを含むLoongsonベースのコンピュータをリリースしました。 ^{[9] [10]}

近年、龍星宇宙専用チップ（1E04/1E0300/1E1000、1F04/1F0300、1J）は3～5基の北斗航法衛星に使用されています。

1PFLOPSを超える性能が見込まれるDawning 6000スーパーコンピューターは、 Loongsonプロセッサを採用する。Dawning 6000は現在、ICTとDawning Information Industry Companyが共同で開発している。Dawning Information Industry Companyの会長で、ICTの理事および院士でもあるLi Guojie氏は、Dawning 6000の研究開発は2年以内に完了する予定だと語った。それまでに、中国製の高性能コンピューターは2つの大きな目標を達成すると予想される。1つは、国産プロセッサの採用、2つ目は、性能が1PFLOPSに達した時点で、高性能コンピューターの既存のクラスターベースのシステム構造が変更されることである。

2012年に発表された^[11] MIPS Aptivファミリーには、MIPS32 Release 3アーキテクチャに基づく32ビットCPU製品が3つ含まれています。

microAptiv ^[12]は、5 段パイプラインと microMIPS コード圧縮命令セットを備えたコンパクトなリアルタイム組み込みプロセッサ コアです。microAptiv は、命令キャッシュ、データ キャッシュ、メモリ管理ユニットを備えたマイクロプロセッサ (microAptiv UP) として構成することも、メモリ保護ユニット(MPU) を備えたマイクロコントローラ(microAptiv UC)として構成することもできます。CPU は DSP と SIMD 機能を統合し、産業用制御、スマート メーター、自動車、有線/無線通信などのエントリ レベルの組み込みセグメントの信号処理要件に対応します。

interAptiv ^[13]は、マルチスレッド対応の9段パイプラインを活用したマルチプロセッサコアです。このコアは、スマートゲートウェイ、LTEユーザー機器やスモールセルのベースバンド処理、ソリッドステートドライブ（SSD）コントローラ、自動車機器など、コストと電力の最適化を必要とする高度な並列タスクに使用できます。

proAptiv ^[14]は、スーパースカラーのアウトオブオーダープロセッサコアで、シングルコアとマルチコアの製品バージョンが用意されています。proAptivは、接続された民生用電子機器のアプリケーション処理と、ネットワークの制御プレーン処理用に設計されています。

2013年6月に発表された^[15] MIPS Warriorファミリには、MIPSリリース5および6アーキテクチャに基づく複数の32ビットおよび64ビットCPU製品が含まれています。

組み込みおよびマイクロコントローラ用途向けの 32 ビット MIPS コア:

• MIPS M5100およびMIPS M5150コア（MIPS32リリース5）：^[16] 5段パイプラインアーキテクチャ、microMIPS ISA、MIPS DSPモジュールr2、高速割り込み処理、高度なデバッグ/プロファイリング機能、および電源管理。
• MIPS M6200およびM6250コア（MIPS32リリース6）：^[17] 6段パイプラインアーキテクチャ、microMIPS ISA、専用DSPおよびSIMDモジュール

高性能、低消費電力の組み込み用途向け 64 ビット MIPS CPU:

• MIPS I6400マルチプロセッサコア（MIPS64リリース6）：^[18] 同時マルチスレッド（SMT）、ハードウェア仮想化、128ビットSIMD、高度な電力管理、マルチコンテキストセキュリティ、コヒーレントなマルチクラスタ操作への拡張性。

32 ビットおよび 64 ビット MIPS アプリケーション プロセッサ:

• MIPS P5600 マルチプロセッサコア (MIPS32 リリース 5): ^[19]ハードウェアテーブルウォークによるハードウェア仮想化、128 ビット SIMD、40 ビット拡張物理アドレス指定 (XPA)
• MIPS P6600 マルチプロセッサ コア (MIPS64 リリース 6): ハードウェア テーブル ウォークによるハードウェア仮想化、128 ビット SIMD

スーパーマリオ64のMIPSウサギのキャラクターは、MIPSマイクロプロセッサにちなんで名付けられました。

• MIPSアーキテクチャプロセッサの一覧