モトローラ 88000

88000 (略してm88k )は、 1980 年代にMotorolaが開発したRISC命令セット アーキテクチャです。MC88100 は、競合するSPARCおよびMIPS の約 2 年後の 1988 年に市場に登場しました。第 2 世代のMC88110のリリースが遅れ、大幅に遅れたため、m88k はMVMEプラットフォームと組み込みコントローラ環境以外では、あまり成功しませんでした。1991 年に Motorola がPowerPC の開発のためにAIM アライアンスに参加したため、 88000のさらなる開発は終了しました。

モトローラは 1980 年代に強い立場で突入しました。同社が発表したばかりのMotorola 68000 は、市場の他のどのマイクロプロセッサよりも性能が優れており、32 ビット アーキテクチャは当然ながら新興のワークステーション市場に適していました。一方、インテルは32 ビット分野に積極的に進出しておらず、ナショナル セミコンダクターなど、参入した企業はリリースに失敗し、インテル以外のすべてをモトローラが掌握する形になってしまいました。当時、インテルはコンピュータ市場全体の約 80% を占め、モトローラは残りの 90% を掌握していました。

1980 年代初頭に RISC コンセプトが導入されたのは、この時期でした。当初、このコンセプトによって実際にパフォーマンスが向上するのか、それとも長いマシン言語プログラムによってメモリ アクセスが増えて実行速度が遅くなるのかについて、業界内で激しい議論がありました。1980 年代半ば、最初の RISC ベースのワークステーションが登場すると、こうした議論はすべて終わりました。20 MHz のMotorola 68030で動作する最新のSun-3/80 のパフォーマンスは約 3 MIPS でしたが、 16 MHz のSPARC を搭載した最初のSPARCベースのSun-4/260 のパフォーマンスは10 MIPS でした。Hewlett -PackardやDECなどの大手ベンダーはすべて、RISC プラットフォームへの移行を開始しました。

この市場の変化は、モトローラが数少ない拠点であり、最も利益の大きいワークステーション市場から締め出される可能性を秘めていた。ワークステーション分野以外では、アップルがモトローラの唯一の大手ベンダーであり続けた。68000の他のユーザー、特にアタリ社とコモドール・インターナショナルは、 IBM PC互換機への急速な標準化が進む市場で苦戦していた。^[1]

RISC 設計は、そのプラットフォーム上のコンパイラ(Unix ワークステーションの場合はC プログラミング言語)によって呼び出される操作の種類に合わせてプロセッサを意図的に調整する取り組みでした。独創的なIBM 801プロジェクトでは、コンパイラは一般に利用可能な命令の大部分を使用せず、代わりに命令の最も単純なバージョンを使用する (多くの場合、これが最も高速に実行されるため) ことに気付きました。しかし、これらの命令の他のバージョンを提供する回路は、最も単純なバージョンにさえオーバーヘッドを追加します。これらの未使用の命令を CPU から削除すると、このオーバーヘッドがなくなり、チップ上にかなりのスペースが解放されました。これにより、プロセッサ レジスタの数を増やす余地が生まれ、削除された特殊なケースの命令よりもはるかに大きなパフォーマンスの影響がありました。このため、RISC コンセプトはコンパイラの実際の設計によって推進されていると言えます。^[2]

モトローラの 88000 設計に関する記事では、シングルサイクル命令、大規模なプロセッサ レジスタファイル、および RISC コンセプトのその他の特徴について触れているが、「RISC」という言葉は一度も出てこない。^[3]既存の RISC 設計がすでに市場に投入されていたため、同社はこれらと競合するのではなく、世界で最も強力なプロセッサを製造することを決定した。このために、同社は前時代の最速コンピュータの 1 つであるCDC 6600 スーパーコンピュータの設計ノートを採用した。特に、6600 のスコアボードの概念を採用した。スコアボードにより、CPU は命令のレジスタ使用を調べ、まだ完了していない以前の計算に依存しない命令を即座にディスパッチできる。これにより、命令の順序を変更して、必要なデータがある命令は実行し、他の命令はキャッシュまたはメモリからデータをロードできる。この命令の順序変更により、使用率が最大 35% 向上する可能性がある。^[4]

この設計では、データと命令のアドレス バスも別々に使用されていました。これはピン数の点でコストがかかりました。命令キャッシュとデータ キャッシュの両方に、アドレス用に 32 ピン、データ用に 32 ピンあったため、システム全体では「P バス」で 128 ピンが使用されました。この設計は、操作の約 3 分の 1 だけがメモリ関連であり、残りは既に読み取られたデータで操作されているという観察に基づいています。このことから、外部命令キャッシュへの専用命令パスを持つことが強く推奨されました。キャッシュと関連するメモリ管理ユニット(MMU) は当初外部にあり、キャッシュ コントローラはデータ バスまたは命令バスのいずれかに接続でき、どちらのバスでも最大 4 つのコントローラを使用できました。内部には 3 つの 32 ビット バスがあり、レジスタへのデータの読み取りと書き込みの必要に応じて、さまざまな方法で内部ユニットに接続されていました。^[5]

新しい設計のもう 1 つの特徴は、特殊なコプロセッサ、つまり「特殊機能ユニット」または SFU のサポートが組み込まれていることです。^[5]すぐに使用できる内部コマンドに加えて、コプロセッサで使用できる 256 個の命令のブロックが用意されました。これは、システムをカスタマイズしたい設計者を対象としており、既存の命令セット アーキテクチャに影響を与えることなく新しい機能ユニットを追加できるため、主要な機能のソフトウェア互換性が確保されます。^{[2]すべての 88000 には、}浮動小数点ユニット(FPU)である SFU1 がすでにインストールされています。 ^[5]分岐命令とジャンプ命令には遅延分岐オプション (.n) が組み込まれており、分岐条件に関係なく、後続の連続命令が分岐ターゲット命令の前に実行されるように指定できます。^[6]分岐命令または命令ポインタを変更する可能性のあるその他の命令を分岐遅延スロットに配置することは、将来の互換性を維持するために推奨されません。^[7]

1987年までに、モトローラが独自のRISCプロセッサを設計していることは広く知られるようになった。コンピュータ業界では「78000」と呼ばれていたが、これは以前の68000へのオマージュであり、^{[ 2]} 1988年4月にリリースされたときに88000となった。

設計の複雑さの副作用として、CPU は 1 つのチップに収まりきらなかった。1 年前にリリースされた 68030 には 273,000 個のトランジスタがあり、算術論理ユニット(ALU) とメモリ管理ユニット(MMU) が 1 つのチップに収められ、オプションの浮動小数点ユニット(FPU) は別のチップとして用意されていた。これとは対照的に、88000 では ALU と FPU が 750,000 個のトランジスタ MC88100 にまとめられ、メモリ管理ユニット(MMU) と 16 KB のスタティック RAMキャッシュが 750,000 個のトランジスタ MC88200 にまとめられていた。FPU が本当にオプションだった 68030 とは対照的に、実用的な 88000 システムは少なくとも 1 つの MC88200 なしでは構築できなかった。システムには複数の MC88200 を含めることができ、キャッシュの容量が大きくなり、メイン メモリへのパスが複数になってパフォーマンスが向上する。^[2]

ハイエンド市場をターゲットにしており、発売当時は世界最速の32ビットプロセッサと謳われた。20MHzで動作し、34,000 ドライストーン、つまり 17VUPSを達成した。 ^{[8] [b]これに対し、} SPARCstationの同年代の12.5MHz SPARCは約12MIPS 、20MHzの68030は約3.3MIPSであった。25MHzの部品も提供されており、21MIPS、48,387ドライストーンであった。^[9]

当時、モトローラは88000を「通信、人工知能、グラフィックス、3次元アニメーション、シミュレーション、並列処理、スーパーコンピュータ」を含むハイエンド市場に限定して販売し、既存の68kシリーズはワークステーション市場で引き続き使用されると示唆した。しかし、ほとんどの潜在的顧客は88000を無視し、^[8]システムはほとんど使用されなかった。

オリジナルのリリースはモトローラの自社製品以外ではほとんど使われず、従来の顧客が他のRISC設計に移行し始めたため、同社はこの設計をシングルチップのMC88110として再リリースしました。1980年代後半には、NeXT、Apple Computer、Apollo Computerなど、いくつかの企業が88000シリーズの将来の使用を積極的に検討していましたが、1992年に88110がようやく発売された頃には、どの企業もこの設計をあきらめていました。

88openグループでは、サン・マイクロシステムズがSPARC設計で試みたのと同様に、このシステムを普及させようとする試みがあった。しかし、実質的には失敗したようだ。^[10]

1990年代初頭、モトローラはIBM POWERアーキテクチャをベースにした新しいRISCアーキテクチャを開発するAIMの取り組みに参加した。同社は88000のいくつかの機能（互換性のあるバスインターフェース^[11]など）を新しいPowerPCアーキテクチャに取り入れ、顧客に何らかのアップグレードパスを提供した。その時点で88000はできるだけ早く廃止された。^[12]

88000は、それ以前の68000と同様に「クリーン」な設計であると考えられていました。これは、独立した命令キャッシュとデータキャッシュ（ハーバードアーキテクチャ）^[13]、および独立したデータバスとアドレスバスを備えた純粋な32ビットロード/ストアアーキテクチャです。小さく強力なコマンドセットを持ち、フラットなアドレス空間を使用します。

珍しいアーキテクチャ上の特徴は、整数命令と浮動小数点命令の両方が同じレジスタ ファイルを使用することです。

88000 ISA の最初の実装は、統合FPUを含むMC88100 マイクロプロセッサでした。これと組み合わせられたのが、MC88200 MMUとキャッシュコントローラでした。この役割分担の背後にある考え方は、マルチプロセッサシステムをより簡単に構築できるようにすることでした。1 つの MC88200 で最大 4 つの MC88100 をサポートできます。ただし、これは、1 つのプロセッサで最も基本的なシステムを構築するには、両方のチップとそれらの間のかなりの配線が必要になり、コストが上昇することを意味しました。これが、88000 の成功が限定的であったもう 1 つの主な理由であると思われます。

この問題は後に、CPU、FPU、MMU、L1キャッシュを1つのパッケージに統合したスーパースケーラ MC88110によって解決されました。MITの*Tプロジェクトの要請で行われた追加の変更により、マルチプロセッサシステムで使用するためのオンチップ通信を含むMC88110MPが生まれました。^[14]最大100MHzの速度が可能なバージョンがMC88120として計画されましたが、製造されることはありませんでした。

組み込みアプリケーション向けの実装であるMC88300は1990年代初頭に開発中だったが、最終的には中止された。フォード・モーター社は、通信ベンダーによる採用と合わせて、アーキテクチャの永続的な実行可能性を保証するものとして、このチップの使用を計画していた。^[15]モトローラは代替としてPowerPC設計を提案し、フォードはそれを受け入れた。^[16]

モトローラは、88000 をベースにした「すぐに使える」システムを構築するための、MVMEシリーズと呼ばれるシングルボード コンピュータ シリーズと、これらの MVME ボードを採用したシリーズ900スタッカブル コンピュータをリリースしました。タワー システムやラック マウントシステムとは異なり、シリーズ 900 は互いに積み重ねられ、バスのようなケーブルで相互に接続されていました。このコンセプトは普及しませんでした。

主要なサードパーティのユーザーは限られていた。唯一広く使われていたのは、 Data General AViiONシリーズだろう。これらはかなり人気があり、今日でも限られた範囲で使用されている。後期モデルでは、DG は Intel に移行した。Encore Computer は、Encore-91 マシンを m88k で構築し、その後、完全にゼロから再設計した Infinity 90 シリーズを発表したが、このマシンが何台売れたかは不明である。Encore は Alpha に移行した。Tektronixは、 1989 年 4 月にグラフィックス ワークステーションの XD88 シリーズを発表した。^[17]

GEC Computers は、 GEC 4000 シリーズコンピュータの 1 つである GEC 4310 の構築に MC88100 を使用しましたが、メモリ管理の問題により、同社の以前のゲート アレイベースおよびAm2900ベースの GEC 4000 シリーズ コンピュータほどのパフォーマンスは得られませんでした。BBN Butterflyモデル TC-2000 は MC88100 プロセッサを使用し、512 個の CPU に拡張されました。Linotype -Hell は、イメージ操作用のDaVinci ラスター グラフィック エディタを実行する「Power」ワークステーションで 88110 を使用しました。

MC88110 は、リリースされなかったNeXTマシンであるNeXT RISC Workstationのいくつかのバージョンに採用されましたが、このプロジェクトは 1993 年にすべての NeXT ハードウェア プロジェクトとともに中止されました。日本製の 4 プロセッサOMRON LUNA-88K マシンは m88k を使用し、カーネギーメロン大学のMach カーネルプロジェクトで短期間使用されました。1990 年代初頭、Northern Telecom は電話交換機のDMS SuperNode ファミリの中央プロセッサとして MC88100 と MC88110 を使用していました。

他のユーザーのほとんどはもっと小規模だった。アルファ・マイクロシステムズは当初、モトローラ68000から88Kアーキテクチャへの移行を計画し、 UNIX System Vを実行するマシンを社内で作成したが、後に68K派生製品に切り替えられた。^[18] NCDは88K X-Terminalsで88100（88200なし）を使用した。倒産寸前のNorsk DataからスピンオフしたDolphin Serverは、88kをベースにしたサーバーを構築した。^[19] 1988年から1992年にかけて約100のシステムが出荷された。

Virtuality は、SU2000仮想現実アーケード マシンの MC88110 をグラフィック プロセッサとして使用し、各仮想現実ヘッドセットの画面ごとに MC88110 を 1 つずつ配置しました。

組み込みコンピュータ分野では、F-15 S/MTDの「3チャネルVMSコンピュータ」は、3つの88000を使用して3重冗長コンピュータを構成しました。^[20]

モトローラは、88000ベースのシステム向けに、独自のUNIX System V派生版であるSystem V/88をリリースした。リリース3.2バージョン3とリリース4.0バージョン3の2つのメジャーリリースがあった。 ^[21] Data General AViiONシステムはDG/UXを実行した。MVMEシステム、^[22] LUNA-88Kワークステーション、^[23] Data General AViiONシステム用のOpenBSDポートが存在する。[ ^24] MVMEシステム用の非公式な実験的なNetBSDポートが 少なくとも1つ存在する。 ^[25]

• Alsup, Mitch (1990年6 月)。「Motorola の 88000 ファミリー アーキテクチャ」。IEEE Micro。10 ( 3 ): 48–66。doi :10.1109/40.56325。S2CID 30607775  。
• 「モトローラ 88000 の蓋を開けて - DIY コプロセッサを見つける」。TechMonitor。1988年9 月 14 日。
• 「モトローラの 88000 RISC がフル量産中」。TechMonitor。1989年6 月 27 日。^{[永久リンク切れ‍ ]}
• 「4 月に発売予定の Motorola の RISC は Unix 向けにカスタマイズされています」。TechMonitor。1988年2 月 18 日。

• m88k ウェブサイト m68k/m88k リファレンス ウェブサイト
• Dolphin m88k Dolphin サーバーテクノロジー
• m88k ハードウェアとコンピュータに関する Badabada.org