マイクロプロセッサの歴史と今後の動向

マイクロプロセッサの歴史と今後の動向
目
次
応用分野の要求は発明の母であった
システムの構成 電卓のシステム図
マイクロプロセッサへの道
マイクロプロセッサの誕生
マイクロプロセッサの発展
高性能マイクロプロセッサへの道
時代を切り拓く技術と産業の変化
創造的開発とは イノベーション
マイクロプロセッサがもたらした社会と経済の変化 ２００３年１０月３１日
嶋
正 利
1
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応用分野の要求は発明の母であった
『初めに応用ありき、応用が全てである』
システムの構成
汎用入出力装置
データストレージ
・ＦＤＤ
・ＨＤＤ
・ＤＶＤ
・ＣＤ−ＲＯＭ
・ＰＣＭＣＩＡカード
・ＶＴＲ
表示
・ＣＲＴ
・ＬＣＤ
システムバス
データプロセッシング
・メインフレーム
・ワークステーション
・パーソナルコンピュータ
・ネットワークコンピュータ
・ワードプロセッサ
・情報携帯端末機
・ハンディターミナル
・電子手帳
・電卓
ドキュメント
プロセッシング
・コピー
・ＬＢＰ
・バブルジェットプリンタ
・インクジェットプリンタ
マルチメディア
・デジタルＴＶ
・デジタルカメラ
・デジタルビデオムービー
・セットトップボックス
・インターネットＴＶ
・ゲーム
メモリ
・ＤＲＡＭ
・ＦＬＡＳＨ
メディアプロセッサ
イメージプロセッサ
３Ｄグラフィックス
ＤＲＡＭ
ＲＤＲＡＭ
ＳＤＲＡＭ
ＰＲＯＭ
ＦＬＡＳＨ
コミュニケーション
プロセッシング
マイクロプロセッサ
ＲＩＳＣプロセッサ
マイクロコントローラ
ＲＩＳＣコントローラ
・モデム
・ＦＡＸ
・ＬＡＮ
・テレビ電話
・携帯電話
・ＰＢＸ
ＤＳＰ
通信
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電卓のシステム図
機能の実現方法：
ハードワイアード論理方式
基板の配線で論理を組み立てる
プログラム論理方式
ステップカウンタ
キーボード
制御論理
タイミング回路
手順論理
カード
リーダー
アキュムレータ
表示
レジスタ
ＡＬＵ
補正回路
10進
印刷
２進データ → １０進データ
メモリ
3
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マイクロプロセッサへの道
電卓にも使用可能な汎用ＬＳＩ開発の提案 １９６９年６月 ビジコン社
ＯＥＭビジネス （電卓、キャッシュレジスタ、銀行端末機器など）
電卓の論理方式（機能の実現方法）：
ハードワイアード論理方式
プログラム論理方式 １９６８年に電卓に導入
プログラムを変更することにより機能を変更する
マクロ命令
１０進演算命令 → １０進コンピュータ
ＬＳＩ化
新プロセッサの提案 １９６９年８月 インテル社
プログラム論理方式の採用
プロセッサのみ開発
マイクロ命令の採用
２進コンピュータ
４ビット・プロセッサ
サブルーチンの使用可能
標準メモリの使用
ＡＬＵ
４ ビット
汎用
レジスタ
１６ ｘ ４
アドレス
スタック
４ ｘ １２
ＰＣを含む
提案されたプロセッサの問題点と解決方法 １９６９年１２月 ビジコン社
問題点 解決方法
低性能プロセッサ ＬＳＩのみによるシステム構築 ；ファミリー製品
大容量メモリ １０進補正命令
標準メモリ キーボード・コード変換命令
プログラムによる入出力機器制御 外界をセンスする命令
事務用プログラミング言語 インタープリタ機能
メモリ用パッケージの使用 プログラミング言語の翻訳 ；電卓用／事務機用命令
モニター ；リアルタイムＯＳの核
正式契約 １９７０年２月 開発費：６万ドル
世界初のマイクロプロセッサ４００４の完成 １９７１年３月 インテル社とビジコン社で共同開発
ＴＩ社がワンチップマイコンの特許申請 １９７１年７月
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世界初のマイクロプロセッサ４００４誕生
ＣＰＵ：中央処理ユニット：４００４
ＲＡＭ ：データ記憶：４００２
システムバス
ＡＬＵ
システム
バス
制御
４ビット
ＳＹＮＣ
汎用
レジスタ
１６ｘ４
ＣＭ
命令
テスト
アドレス
スタック
４ｘ１２
ＲＡＭ
アレイ
４ｘ２０
ディジット
出力
命令
ポート
制御
制御
出力
ＲＯＭ ：プログラム記憶：４００１
ＳＲ：
出力許可
出力拡張ポート：
４００３
ｸﾛｯｸ
同期信号
入出力
ポート
入出力
命令
ＲＯＭ
制御
アレイ
２５６ｘ８
１０ビット
シフトレジスタ
コマンド
直列出力
データ
パラレル出力
5
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世界初のマイクロプロセッサ４００４
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８０８０
7
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Ｚ８０
8
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マイクロプロセッサの発展
●
▲
◎
○
10000
5000
3000
2000
性能：
動作周波数：
トランジスタ数：
命令の平均：
実行クロック数
◎
性能値
SPECint95
百万命令／秒（ＭＩＰＳ）
ＭＨｚ
万個
クロック／命令
◎
◎
Pentium(Xeon) ●
Pentium 4 ●
● Opteron 30
▲ ▲
20
PentiumII
● Itanium
☆ ゲーム用プロセッサの性能
1000
PentiumPro
◎
◎
●
◆
▲
性能
500
300
200
チップ面積（
ｍ㎡）
トランジスタ数
100
◆◆
◆
◆
◆
◆
○
○
○
○
◆
10
◆
◎
◎
▲
○ ○
○◎
▲
▲
● 80386
▲
○
動作周波数
○
▲
◎
▲
◎
● 80286
8086
▲
▲
◎
● ●● 68000
Z8000
◎
● Z80
◎
● 6800
●
＊
8080
◎
5
3
2
1
0.5
0.3
0.2
1K
4K:200ns
16K:150ns
64K:150ns 256K:70ns 1M:60ns
2
1
＊
● 80486
▲
◎
10
8
＊
● Pentium
▲
◆
実行クロック数
50
30
20
◆
◎
●
☆Playstation2
◎
●PentiumMMX
▲
◆
▲
＊
パソコンの主メモリ容量（Ｍバイト）
＊
＊
パソコンの
ハードディスク容量（Ｇバイト）
＊
○ 80486
○ Pentium
○ PentiumPro
○ Pentium 4
4M:70ns
16M:45ns
64M:30ns
128M/256M:30ns DRAMチップ
0.1
● 4004
1970
＊
1980
1975
1985
1990
1995
2000
2005
年
9
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高性能マイクロプロセッサへの道
① ＣＩＳＣプロセッサ
7
0 7
0 7
0 7
⑤ＶＬＩＷプロセッサ（超長命令）
② ＲＩＳＣプロセッサ
バイト可変長命令、
複合化命令
高級言語（Ｃ言語など）で書かれたプログラム
固定長命令、
ロードストア・アーキテクチャ
パイプライン・プロセッサ
0
31 24 23 16 15
ロード & 加算
8 7
超長命令（ＶＬＩ
Ｗ）にコンパイルされたプログラム
ロード
ロード
加算
ストア
ストア
比較
比較
浮動小数点演算
実
行
ユ
ニ
ッ
ト
分岐
③スーパーパイプライン技術
高動作周波数化による
高性能化達成方法
Ｆ：
Fetch
Ｄ：
Decode
Ｅ：
Execution
ＷＢ： Write Back
整数
スロット１
浮動小数点演算
分岐
命令の解読とスケジュール
高動作周波数に対応
コンパイル
0
Ｆ１ Ｆ２
Ｄ１ Ｄ２ Ｅ１
Ｅ２
Ｆ１
Ｆ２ Ｄ１ Ｄ２
Ｅ１ Ｅ２
Ｆ１ Ｆ２ Ｄ１
Ｄ２ Ｅ１ Ｅ２
スロット２
分岐
分岐
整数
整数
乗算
乗算
浮動小数点 分岐
スロット３ スロット４
分岐
ロードストア
ロードストア
整数
浮動小数点
浮動小数点
マルチメディア
マルチメディア
整数
浮動小数点
マルチメディア
浮動小数点
マルチメディア
ＷＢ
ＳＩＭＤ
ＷＢ
（１２８ビット）
ＳＩＭＤ
ＳＩＭＤ
ＳＩＭＤ
（１２８ビット）
（１２８ビット）
（１２８ビット）
ＷＢ
ＳＩＭＤ命令（レジスタを分割して使用）
④ スーパースカラ技術
命令の並列実行化による
高性能化達成方法
命令の解読
：PentiumII（最大３命令）
命令のスケジュールと発行：PentiumII（最大５マイクロ命令）
127
or
63
n
命令
0 n 0 n
0 n
0
0 n 0 n
0
n
0 n
0
演算器 （ＡＬＵ）
ロード
ストア
整数
整数
浮動小数点
マルチメディア
命令の実行
ＳＩＭＤ
（128ビット）
分岐
レジスタ
10
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スーパースカラ技術を使ったマイクロプロセッサの例
命令キャッシュ
命令解読ビット付き
命令ユニット
分岐予測
分岐先
アドレス
キャッシュ
命令バッファ
分岐
履歴
表
命令解読、
スケジュール、
命令発行
命令実行
終了
ユニット
実行予定命令用バッファ
実行予定命令バス（ｎセット）、
命令実行終了バス（ｍセット）
分岐
ユニット
ロード
ストア
ユニット
整数
演算
ユニット
浮動小数点
演算
ユニット
命令実行ユニット
整数演算用
汎用レジスタ
浮動小数点演算用
汎用レジスタ
リネーム・レジスタ
データ・
キャッシュ
リネーム・レジスタ
リザベーションステーション
11
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高性能化技術の導入によるマイクロプロセッサの性能の進展
１９９９年７月作成
性能
向上
技術
プロセッサ
ﾊﾟｲﾌﾟﾗｲﾝ
ｽｰﾊﾟｰ
ﾊﾟｲﾌﾟﾗｲﾝ
第１世代
ｽｰﾊﾟｰ
スカラ
第２世代
ｽｰﾊﾟｰ
スカラ
開発
年度
動作
周波数
80486
R3000
SPARC
PA-RISC
1989
1987
1988
1991
25MHz
25MHz
25MHz
66MHz
R4000PC
R4000SC
88110
Alpha
21064
1992
1992
1991
1992
100MHz
100MHz
50MHz
150MHz
Pentium
SuperSPARC
PowerPC601
PA-7100LC
PPC604
21164
PentiumPro
UltraSPARC
PA-8000
1993
1993
1993
1994
1994
1995
1995
1995
1996
66MHz
40MHz
66MHz
100MHz
133MHz
300MHz
150MHz
167MHz
200MHz
シス
テム
バス
ﾃﾞｰﾀ
幅
２次
32
32
32
32/
64
64
64
64
64/
128
Ext
64
64
64
64
64
128
64
128
128
y
Ext
y
y
y
Ext
性能
内蔵
キャッ
シュ
制
御
y
y
ﾃﾞｰﾀ SPECint
バス
幅
SPECfp
パイ
キャッシュ プラ
イン
Ｉ／Ｄ
段数
命令 実行ユニット
解読/
発行
数
Ｉ Ｆ/ Ｌ Ｂ
Ｇ Ｓ
Cache
13.3
17.6
12.3
51.5
6.6
15.1
11.6
101.6
8K ﾊﾞｲﾄ
none
4∼6 1/1
5
1/1
1/1
1/1
128
39.7
54.5
51.0
74.3
2.15
60
52.6
50
2.89
4.45
7.3
6.08
5.6
10.8
46.8
68.5
73.9
120
3.65
55
64.7
80
3.47
3.31
11.6
4.76
9.8
18.3
8K/8K
8K/8K
8K/8K
8K/8K
8
8
6∼8
7
1/1
1/1
2/2
2/2
1 1
1 1
1 1
1
Integer
1 Float
1 1
1 1
3 3/2 1
1 1 1
8K/8K
20K/16K
32K
8K/8K
16K/16K
8K/8K/96K
16K/16K
16K/16K
none
5/8
8
2∼6
5
6
7
12
9
5∼7
2/2
3/3
3/3
2/2
4/4
4/4
3/5
4/4
4/4
2
3
1
2
3
2
2
2
4
Cache
64
Cache
1
1
1
2
1
2
1
3/2
3
① Predecoded Cache
② Dynamic Branch Pre
③ Out of Order
④ Register Rename
⑤ MultiMedia Inst.
⑥ Ext Cache Cont
⑥
②③
⑤
②
1 1
1
③
⑤
1 1
2 1
1 1
①
①
①
①
①
②
②
②
②
②
③④
③
③④
⑥
⑥
⑤⑥
③④
⑥
トラ
ンジ
スタ
数
面積
プロセス
ｍ㎡
1.18M 165
1μ
2M
0.58M
0.64M
1.35M
1.35M
1.3M
1.68M
196/
164
184
184
225
234
1.0μ
0.8μ
0.8μ
0.8μ
1.0μ
0.75 μ
3M
2M
2M
2M
3M
3M
3.1M
3.1M
2.8M
0.85M
3.6M
9.3M
5.5M
3.8M
2.5M
294
256
112
196
196
314
306
315
345
0.8μ
0.8μ
0.7μ
0.8μ
0.65 μ
0.5μ
0.5μ
0.5μ
0.5μ
3M
3M
3M
3M
4M
4M
4M
4M
4M
80486,R3000,SPARC,PA -RISC,R4000,88110,21064,Pentium,SuperSPARC,PowerPCの性能は SPECint89/SPEC fp89を、
他のプロセッサの性能は SPECint92/SPECfp92 を使っている。
I: Integer unit, F/G: Float/Graphics unit, LS: Load Store unit, B: Branch unit
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時代を切り拓く技術がもたらした産業の変化
「 システム構築技術は時代を切り拓いた技術によって進化し続けている 」
開発年 技 術
時 代
キーワードと新産業
１９５１年
トランジスタ
回路の時代
電子、
コンピュータ産業
１９６１年
集積回路
論理の時代
ディジタル、
半導体産業、
ベンチャービジネス
１９７１年
マイクロプロセッサ
プログラムの時代
マイクロプロセッサ、
ソフトウェア、
システム産業、
ゲーム産業
１９８１年
パーソナルコンピュータ
ＯＳとＧＵＩの時代
オープンアーキテクチャ、オープンシステムズ、
ダウンサイジング、
デファクトスタンダード、
パソコン産業、
ソフトウェア産業、
知的財産権、
企業買収
１９９１年
ＷＷＷ
インターネットと言語の時代
インターネット、
情報技術産業
ＩＴ革命：時間の価値
Value of Time
開発 ＋ 製造 ＋ 物流 ＋ 販売 ＋ 支払い
マルチメディア（Who, What ）
２００１年
携帯電話
モーバイルの時代
ＳＩＭＤ，ＭＩＭＤ，ＤＳＰ （ How ） 自由であるべき
コンテント
13
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創造的開発とは
創造的開発とは芸術であり宗教である
アイデアとは個性のほとばしりである
創造的開発に挑戦する体制
； 全面的な支持者
市場に未だ無い製品を開発
創造的開発とは人跡未踏の荒野を進むようなもの
希望（成功）と不安（失敗）の抱き合わせ
新規性のあるものを生む開発者
過去と現在を分析・解析し、昇華させ、捨てる
； 現状に執着しない
インクリメンタルな改良や改善は創造的開発ではない
過去と現在を捨てることは容易なことではない
新規概念（開発コンセプト）の創造
； 開発こそ我が道
人の歩んだ道は行かない
新規概念（開発コンセプト）のスト−リ−作成
； 自分の世界を創る
開発者の頭の中は誰も知らない
新規概念（開発コンセプト）の討論
； Ｓｐｅａｋ−Ｏｕｔ
最初の理解者はほんの少数
Ｃｒｉｔｉｃｉｚｅ
無視されるか、低い評価
討論には
自分が正しければ主張
柔軟で強く回転の速い
不退転の意志
頭脳
相手が正しければ速やかに受け入れる
会議中に結論を出す
根回しは駄目（特に会議後の個人ベ蠇スの話し合い）
設計は素早く行う
； スピ−ド感のある
製品はなまものと同じで、時間が立つと、
仕事の進め方
陳腐化したり、活きが悪くなって、誰も買わない
真のチ−ムプレイ
； For the team
コミュニケ−ション
他人の間違いや欠点を指摘することは難しい
性善説と性悪説
開発タイプの仕事の過程では性善説
検証時や他の人とのインタフェース時や仕事の最後のまとめ時には性悪説
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マイクロプロセッサがもたらした社会と経済の変化
マイクロプロセッサは、その誕生と同時に、２つの顔を持つようになった。知的能力とコンピューティング
・パワーであった。およそ人間の発明したもので、マイクロプロセサほど短期間のうちに大きな影響を与えた
ものはほかに見当たらない。
マイクロプロセッサが提供する知的能力は、家庭電化製品、オフィス機器、自動車、通信など、あらゆる分
野に広範囲に大量に活用されている。18世紀中葉にイギリスで始まった動力による第１次産業革命は、人類の
機械力学的能力の限界を事実上なくした。次に、 19世紀中葉にアメリカで始まった電気による第２次産業革命
は、通信や放送や電化製品によって速度と快適さのある近代文明を人類にもたらし、大規模なエレクトロニク
ス産業を築き上げた。そして、シリコン小片に乗った知的能力を持ったマイクロプロセッサによる第３次産業
革命は、新たなる文化を創造するための『知への道具』を人類にもたらした。マイクロプロセッサの誕生によ
り、いかに品質を高くかつ安く物を作るかといった生産という文明を重視した時代から、何を作るかといった
創造という文化を重要視する時代を登場させた。
マイクロプロセッサはコンピュータ会社が独占していたコンピュ−ティング・パワ−を創造に挑戦する若き
開発者に解放し、パソコン、ワークステーション、ゲーム機を登場させ、ソフトウェア産業を大きく花開かせ
た。第２次大戦後に日本が強力に押し進め高度成長をもたらした高度技術・大量生産という文明の創造と発展
にかげりがでている。一方、米国はパソコンという文明の上に、マイクロプロセッサ、オペレ−ティング・シ
ステム、アプリケ−ション・ソフトウェア、マルチメディアなどの文化を創造し発展させてきた。日本が今の
まま生産という文明を重要視しすぎると、日本が莫大な資金を投入して苦労して築き上げた文明の上に、米国
の文化を構築するような体制になってしまい、大きな付加価値を日本が享受できなくなる。また、米国で開発
された技術を重要視しすぎると、翻訳された米国の文化が日本に浸透し、米国流の表現方法、思考方法、仕事
の進め方、価値観が主流となり、会社や社会のあり方までが変化し、日本本来の文化が消滅してしまう恐れが
ある。
開発技術者が養成すべき能力は、問題を見つけ、本質を見抜き、創造するための、考え出す能力である。
（知恵）
15
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