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コンピュータ・アーキテクチャ()は、コンピュータ(特にハードウェア)における基本設計や設計思想などの基本設計概念を意味する。建築の英訳であるアーキテクチャ(アーキテクチュア)が建築分野における設計や様式を指すことから転じて、コンピュータ分野においても使われるようになった。「設計思想」などと訳される。

当初の意味(狭義)では、互換性確保のためのマンマシンインターフェースの厳密な定義であり、具体的にはユーザー(プログラマ)が使用できる(使用して良い)レジスタの構成や命令セットなどである。アーキテクチャが同一のコンピュータ間や、スーパーセット(上位互換)のアーキテクチャを持つコンピュータへの移行は、ソフトウェアの互換性が原則として保障される。またハードウェアの内部設計や実装は、定義されたアーキテクチャを守る限り、技術の進歩に応じて自由に更新できる。この結果、コンピュータ・ファミリー(シリーズ)が形成可能となる。現在で言えばレイヤー定義であり仮想化の1種でもある。

しかし現在(広義)では、特定のコンピュータの単なる「設計方針」や、更には実装例までも「アーキテクチャ」と呼ばれる場合が多い(例えば、CPUの実装に採用した半導体技術や、搭載したキャッシュ容量など)。また単なる「設計思想」という意味で、システムアーキテクチャ、エンタープライズアーキテクチャ、ソフトウェアアーキテクチャなどの用語も増えている。

◆ 分類

コンピュータアーキテクチャは少なくとも次の3つに分類される。

; 命令セットアーキテクチャ(ISA)

: 機械語(またはアセンブリ言語プログラマ)から見たコンピュータシステムの抽象化されたイメージであり、命令セット、アドレッシングモード、レジスタ、アドレスとデータの形式などが含まれる。すなわち、CPUをソフトウェア側から見たときのインタフェース定義である。

; マイクロアーキテクチャ

: さらに下位レベルでのより具体的なシステムに関する記述であり、ISAを実装するためにシステムの構成部品をどのように接続し、それらがどのように相互にやりとりするかを示す。例えば、コンピュータのキャッシュの大きさは、ISAには通常何の関係もないが、その下位レベルの実装においては重要な問題である。

; システム設計(システムアーキテクチャ)

: 上記以外のコンピュータシステムのハードウェア全般に関するもの。以下のようなものが含まれる。

# バスやクロスバースイッチなどのシステムのインターコネクト

# メモリコントローラやメモリ階層

# Direct Memory Access などのCPUオフロード機構

# マルチプロセッシングに関わる部分

# 複数のコンピュータによるシステム構成に関するもの(コンピュータ・クラスターやNUMAアーキテクチャなど)

◆ アーキテクチャと実装

ISAとマイクロアーキテクチャが決定されると、実際のハードウェアが設計される。この設計工程を一般に「実装; implementation」と呼ぶ。実装はアーキテクチャ定義には通常含まれず、ハードウェア設計に含まれる。

実装はさらに以下の3段階に分けられる。

・ 論理実装/設計 - マイクロアーキテクチャで定義されたブロックを論理式あるいは論理ゲートレベルの回路で表す。

・ 回路実装/設計 - マイクロアーキテクチャ上のブロック(あるいはそれと等価な論理式)やその論理回路をトランジスタレベルのデジタル回路で表す。

・ 物理実装/設計 - 回路図に従い、チップ上の部品配置や基板上の部品配置、基板間の接続ルートなどを設計する。

CPUの場合、この実装工程全般をCPU設計と呼ぶ。

◆ 設計上の観点

コンピュータの設計においては、制約条件と目標を考慮して、どの部分を最適化するかを決定する。コンピュータアーキテクチャは一般に、標準規格、コスト、メモリ容量、レイテンシ、スループットなどのトレードオフで決まる。場合によっては、機能、大きさ、重さ、信頼性、拡張性、電力消費量といった要素も考慮される。

典型的な手法としては、どのボトルネックが最も性能を悪化させるかを注意深く見極める。理想的には、コンピュータの各部の性能向上とそれにかかるコストが比例すると考えられ、コストのかかる部品が全体の性能を決定すると考えられる。

◇ コスト

一般に、システム要件や市場の状況によって設計前に製造コストが決定される。

◇ 性能

コンピュータの性能は、クロック周波数(MHz や GHz)でよく表される。これはCPUのクロックが一秒間に何サイクルであるかを示したものである。しかし、クロック周波数の高いマシンが必ずしも性能が高いとは言えない。近年ではクロックの高速化は頭打ちになりつつあり、製造業者は別の指標で性能を示すようになりつつある。プロセッサが搭載するキャッシュ容量で性能を示すという手法もある。クロック周波数が自動車の最高速度だとすれば、キャッシュ容量は車線の数に対応する。自動車がどんなに速くても、渋滞になれば速く走ることはできない。CPUが高速動作でき、キャッシュが多ければ、プロセッサは実際に高速に動作できる。

最近のCPUはスーパースケーラ方式で1クロックサイクルで複数の命令を実行できる。これにより、プログラム実行性能は大幅に改善された。他にも性能に影響する要素として、実行ユニットとしてどういうものを何個持つか、バスの速度、利用可能なメモリ容量、プログラムとして実行しようとする命令の種類と順序などがある。

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