分岐予測

分岐予測の概念とメカニズム

コンピュータ・アーキテクチャにおける分岐予測（Branch Prediction）は、プログラムの実行過程で発生する条件分岐命令が分岐するか否かを予測する重要な技術です。この技術によって、CPUは命令パイプラインを最大限に活用し、全体的な処理性能を向上させることができます。

概要

条件分岐は、命令が続く流れの中で「分岐しない」（not taken）場合と「分岐する」（taken）場合があり、実行ステージを超えるまでどちらになるかは分かりません。分岐予測を行わない場合、CPUは次に実行すべき命令を待機することになり、これがパフォーマンス低下の要因となります。分岐予測は、「分岐しそう」「分岐しなさそう」といった予測を行い、次に実行可能な命令を予めフェッチし、投機的に実行することを目指します。

分岐の予測が外れた場合、無駄にされた命令は廃棄され、正しい分岐に再度フォーカスする必要があります。ここでの遅延は、主にパイプラインの各段における実行遅れと関係しています。最近のマイクロプロセッサでは、パイプラインが長くなり、失敗した際の遅延は10から20クロックサイクルに及ぶこともあります。分岐予測技術の精度は、特定のアプリケーションや使用されるアルゴリズムによって左右されます。

分岐予測の手法

静的予測

静的分岐予測は、プログラムの実行履歴を用いずに分岐の予測を行うシンプルな方式です。例えば、最初の商用RISCアーキテクチャであるSPARCやMIPSでは「常に分岐しない」との単純な予測を行っていました。この方法には分岐遅延スロットの仕組みも含まれ、分岐先の命令を事前に準備することで性能を補う意図がありました。

次ライン予測

次ライン予測は、一部のスーパースケーラプロセッサで採用されている技術で、各キャッシュラインに次に実行すべき命令のポインタを持ちます。この手法は分岐予測と同時に分岐先の予測も行うことが可能です。

飽和カウンター

飽和カウンターは、分岐するかしないかを4種類の状態で管理する方式です。これにより、条件分岐の履歴に基づいた予測精度を向上させることができます。特に過去2回との履歴をなどを用いた場合、高い予測成功率を実現します。

2レベル適応型分岐予測

2レベル適応型分岐予測は、各条件分岐の履歴を記録し、それに基づいて予測を行います。これにより、様々なパターンの分岐を高い精度で予測できるようになります。

局所分岐予測と広域分岐予測

局所分岐予測は、各分岐命令ごとに独立した履歴を持ち、高い精度を誇ります。一方で、広域分岐予測は全ての条件分岐の履歴を共有し、相関による予測の向上を目指します。これにより、プログラム全体の振る舞いが考慮されます。

ハイブリッド分岐予測

ハイブリッド分岐予測は、複数の手法を組み合わせて利用しこうした異なる予測技術の利点を生かした手法です。これにより、より高い予測成功率が期待できます。

未来の展望

ニューラルネットワークを用いた分岐予測技術も注目を集めており、従来の手法では難しい大規模な履歴管理を可能にしています。今後のプロセッサ設計において、こうした技術の進歩が期待されています。分岐予測の精度向上は、プロセッサの性能を引き上げる重要な要素であり、今後も進化が続くでしょう。

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