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

　話をアウトオブオーダーに戻す。アウトオブオーダーと一口で言っているが、実際には2種類ある。

• 命令発行のインオーダー/アウトオブオーダー
• 命令完了のインオーダー/アウトオブオーダー

　アウトオブオーダー発行とは、スケジューラーで順序を入れ替えて命令を発行することを意味し、アウトオブオーダー完了とは、ALUなりLoad/Storeなりの出力が、本来の命令の並びと異なる順でRe-Order Bufferに入ることを意味する。

　この組み合わせもいろいろある。インテルの「Pentium」やそれ以前のCPU、VIAなら「C7」あたりまでは、基本的にインオーダー発行/インオーダー完了である。一方、インテルの「Pentium Pro」やAMDの「K6」以降は、アウトオブオーダー発行/アウトオブオーダー完了である。

　x86ではあまり見られないが、AMDの「Am29000」などは、インオーダー発行/アウトオブオーダー完了が一部で実装されていた。アウトオブオーダー発行/インオーダー完了のCPUは、さすがに見たことがない。これは実行ユニットの処理のレイテンシーに関係する部分だ。

　これまでの例では、ALUやLoad/Storeの処理時間は、どの命令でも同じという前提で説明してきた。しかし実際には、命令によって処理時間が異なるのが一般的である。現在のx86プロセッサーでも命令によって、命令を受け取ってから処理が終わるまでの時間「レイテンシー」と、その命令を発効するための待ち時間「スループット」は異なる。レイテンシーが3クロックなら、その命令の処理に3クロックかかる。スループットが3クロックならば、3クロックごとにその命令を実行できるという意味になる。

　図2は2つのALUが搭載された構成で、レイテンシが1～4クロックとばらばらな命令1～6を処理する場合を考えたものだ。まずスケジューラーの時点で、命令1～6は図左側のようなレイテンシをそれぞれ持つと仮定する。これをALU1とALU2に分散したのが中央だ。この例ではうまく2つのALUに命令を分散させたと仮定しているが^※1、問題はその出力である。

^{※1 実際はALU内部もパイプライン化されているのが普通だから、こう単純にはならない。説明のために簡略化している。}

図2 アウトオブオーダー完了の説明図

　各ALUからの出力は図2右側のように、まず処理時間の短い命令2の結果が出て、命令1と3が続く。その後は命令5、4と6が出るという具合に、順不同で結果が出てくる。アウトオブオーダー完了は、こうしたばらばらな順で処理を終わらせることを許す仕組み、と考えればいい。