ロードマップでわかる！当世プロセッサー事情 第70回

命令の実行順を変えて高速化するアウトオブオーダー

スーパースカラーとアウトオブオーダーはセットの技術

　スーパースカラーの次に紹介する技術が、アウトオブオーダーである。アウトオブオーダーはスーパースカラーを前提とした技術である。アウトオブオーダーなしのスーパースカラーはあるが、スーパースカラーなしのアウトオブオーダーはありえない(というか意味がない)ので、現実問題としてスーパースカラーが前提の技術、と考えてよいだろう。

　アウトオブオーダーの言葉の意味は「乱れる、狂う、故障する」で、米国では故障した自動販売機とかに「Out of order」とか張り紙がしてあったりする。もちろんここで扱うのは別の意味。「乱れる、狂う」に近いが、ようするに「命令の実行順序を変えてしまう」ものだ。こう書くと、「では前回の命令の並び替えと何が違うのか？」と聞かれそうだが、実は「半分は」同じものである。

　アウトオブオーダーは上に書いたとおり、「与えられた命令を一度展開し、依存関係がない順に順次実行する」方式である。前回「命令の並び替え」として説明した以下の並び替え例が、すでにアウトオブオーダーなのである。

	並び替え前	並び替え後
命令1	R1＝Data1	R1＝Data1
命令2	R2＝Data2	R2＝Data2
命令3	R3＝R1＋R2	R4＝Data3
命令4	R4＝Data3	R5＝Data4
命令5	R5＝Data4	R3＝R1＋R2
命令6	R6＝R4＋R5	R6＝R4＋R5

　つまり本来の命令の並び順を、CPU内部で入れ替えているからだ。これによる効果は、前回述べたとおり非常に大きい。

　さて、前回はアウトオブオーダーにはあまり積極的に触れなかったこともあり、従来のパイプラインの延長的な構図を示したが、本来のアウトオブオーダーのパイプラインは図1のようになる。前回と異なり、「Re-Order Buffer」と呼ばれるものが新たに出現しているわけだが、これがアウトオブオーダーの肝の部分である。

図1 アウトオブオーダーを実装したCPUパイプライン

　まず、命令キャッシュからFetchを経て取り込まれた命令は、Decodeで解釈される。ここまでは「インオーダー」、つまりあくまで読み込んだ順に処理されてゆく。解釈が終わった命令は、いったんスケジューラに入る。ここで命令の並び替えが行なわれる。この例で言えば、左の4命令は先に処理され、右の2命令は後回しにされる。

先に処理	後回し
R1＝Data1	R3＝R1＋R2
R2＝Data2	R6＝R4＋R5
R4＝Data3
R5＝Data4