ロードマップでわかる！当世プロセッサー事情 第171回

インテルCPU進化論 失敗作？ NetBurst Architectureの実像

図1 Netburst Architectureのパイプライン構造図

　次がようやく「Execute」、つまり命令を処理するステージとなる。ここは1サイクルで処理できるのだが、それにはわけがある。通常なら命令を処理すると、それにともなって結果をステータスレジスタに設定する必要がある。Netburst ArchitectureではこれをExecuteからはずして、次に「Flag Update」というステージを用意している。

　また、分岐命令やジャンプ命令でなければ、「次の命令」は現在処理した命令の次になるが、分岐やジャンプが来ると「次の命令」の位置は変わる。この処理も通常はExecuteに含まれるのだが、Netburst Architectureでは「Branch Check」という別ステージを用意している。その結果として、「次」のμOpの位置を確定する作業を、最後の「Drive next μOp」というステージで行なっている。これらはいずれも1サイクルで処理できるのだが、トータルすると4サイクルを要していると考えるほうが実情に近いだろう。

Trace Cache前にも存在する
Netburst Architectureのステージとは

　「20段のパイプライン」は以上のとおりなのだが、冒頭で述べたように実際のNetburst Architectureには、もう少しステージがある。最初のスライドを見直してみよう。

Pentium IIIとPentium 4のパイプラインの比較

　これはPentium IIIとPentium 4での「Misprediction Pipeline」、つまり分岐予測が外れた場合の比較である。分岐予測が外れた場合、Pentium IIIでは素直に1次命令キャッシュからフェッチしなおすが、Pentium 4ではTrace Cacheからフェッチできる。ただし、これは間違ってはいないのだが、完璧に正しいとも言えない。

　WillametteではTrace Cacheが1次命令キャッシュ扱いされているが、Trace Cacheはあくまで「μOpを保持するキャッシュ」である。そのためこれまでに示した20段とは別に、x86命令をフェッチ/デコードして、その結果のμOpをTrace Cacheに格納するステージが別途必要である。それが図1で左下に示した部分である。

　インテルはこれらのステージについて、いまだ詳細を明らかにしていないが、「Intel Technology Journal Volume 06 Issue 01」では、次のような図が示されている。

Trace Cacheヒット時(a)とミス時(b)の動作の違い。Trace Cacheがヒットしている間は、その前のステージは動かない(a)。Trace Cacheがミスすると、2次キャッシュから命令を取り込んでデコードし、Trace Cacheに埋める作業が必要になる(b)

　図の(a)は、分岐予測が外れたがTrace Cacheにはヒットしている場合。(b)は分岐予測が外れたうえ、Trace Cacheもミスした場合である。(b)の場合にどの位のサイクルが余分にかかるかは明確でない。