コンピュータアーキテクチャ (Computer Architecture)

1. コンピュータアーキテクチャの基本概念 MOC

• 定義と範囲
  • コンピュータアーキテクチャとは (プログラマから見えるシステムの属性)
  • コンピュータ構成 (Computer Organization) との違い (アーキテクチャの実現方法)
  • コンピュータ設計 (Computer Design) とは
  • 命令セットアーキテクチャ (ISA) の役割
• 歴史的背景と進化
  • 初期の計算機 (機械式、リレー式)
  • ENIACとEDVAC
  • ノイマン型コンピュータ (プログラム内蔵方式)
    • ノイマン・ボトルネックの問題
  • ハーバードアーキテクチャ (命令とデータのバス分離)
  • コンピュータの世代 (真空管、トランジスタ、集積回路 LSI・VLSI)
  • ムーアの法則とその影響、そして現代の課題
• 性能評価
  • コンピュータの性能指標
    • 応答時間 (Response Time ・ Latency)
    • スループット (Throughput)
  • CPU性能の基本式 (CPU時間 = 命令数 × CPI × クロックサイクル時間)
    • 命令数 (Instruction Count)
    • CPI (Cycles Per Instruction)
    • クロックサイクル時間 (Clock Cycle Time) とクロック周波数 (Clock Rate)
  • MIPS (Million Instructions Per Second)
  • FLOPS (Floating-Point Operations Per Second)
  • ベンチマークプログラムの役割 (SPEC, Linpackなど)
  • アムダールの法則 (Amdahl’s Law) と性能改善の限界

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2. デジタル論理回路 (Digital Logic Circuits) MOC

• 数の表現と演算
  • コンピュータにおける数の表現
    • 2進数 (Binary Number System)
    • 8進数 (Octal) と16進数 (Hexadecimal Number System)
    • 固定小数点数 (Fixed-Point Number)
    • 浮動小数点数 (Floating-Point Number) (IEEE 754標準)
      • 符号部、指数部、仮数部
      • 正規化、非正規化数、NaN、無限大
    • 負数の表現 (符号と絶対値、1の補数、2の補数)
  • 2進数演算 (加算、減算、乗算、除算)
  • 論理演算 (AND, OR, NOT, XOR)
• ブール代数と論理ゲート
  • ブール代数 (Boolean Algebra) の基本法則と定理 (交換則、結合則、分配則、ド・モルガンの法則など)
  • 論理ゲート (Logic Gates)
    • ANDゲート、ORゲート、NOTゲート (インバータ)
    • NANDゲート、NORゲート (万能ゲート)
    • XORゲート (排他的論理和)、XNORゲート
  • 真理値表 (Truth Table)
  • 論理関数の表現 (論理式、カルノー図による簡単化)
• 組み合わせ回路 (Combinational Circuits)
  • 組み合わせ回路とは (出力が現在の入力のみで決まる)
  • 半加算器 (Half Adder) と全加算器 (Full Adder)
  • リップルキャリー加算器 (Ripple Carry Adder)
  • 桁上げ先見加算器 (Carry Lookahead Adder)
  • 減算器 (Subtractor)
  • デコーダ (Decoder)
  • エンコーダ (Encoder)
  • マルチプレクサ (Multiplexer - MUX)
  • デマルチプレクサ (Demultiplexer - DEMUX)
  • 比較器 (Comparator)
  • 算術論理演算ユニット (ALU - Arithmetic Logic Unit) の基本設計
• 順序回路 (Sequential Circuits)
  • 順序回路とは (出力が現在の入力と過去の状態に依存する)
  • フリップフロップ (Flip-Flop)
    • SRフリップフロップ
    • JKフリップフロップ
    • Dフリップフロップ (遅延フリップフロップ)
    • Tフリップフロップ (トグルフリップフロップ)
    • マスタースレーブ型フリップフロップ
    • エッジトリガ型フリップフロップ
  • ラッチ (Latch) とフリップフロップの違い
  • レジスタ (Register)
    • シフトレジスタ
  • カウンタ (Counter) (同期式、非同期式)
  • 状態機械 (Finite State Machine - FSM)
    • ミーリ型マシン (Mealy Machine)
    • ムーア型マシン (Moore Machine)
    • 状態遷移図と状態遷移表

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3. 命令セットアーキテクチャ (Instruction Set Architecture - ISA) MOC

• ISAの役割と分類
  • ISAとは (ハードウェアとソフトウェアのインターフェース)
  • ISAが規定するもの (命令の種類、データ型、アドレッシングモード、レジスタなど)
  • 設計思想による分類
    • CISC (Complex Instruction Set Computer)
      • CISCの特徴と歴史 (例: x86)
      • CISCの利点と欠点
    • RISC (Reduced Instruction Set Computer)
      • RISCの設計原則 (固定長命令、ロード・ストアアーキテクチャなど)
      • RISCの特徴と歴史 (例: ARM, MIPS, RISC-V, PowerPC)
      • RISCの利点と欠点
    • CISCとRISCの比較
  • (オプション) VLIW (Very Long Instruction Word)
  • (オプション) EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing)
• オペランドとデータ型
  • ISAで扱われるデータ型 (整数、浮動小数点数、文字、論理値など)
  • エンディアン (Endianness): リトルエンディアンとビッグエンディアン
• 命令の種類
  • データ転送命令 (ロード、ストア、ムーブ)
  • 算術演算命令 (加算、減算、乗算、除算)
  • 論理演算命令 (AND, OR, XOR, NOT, シフト、ローテート)
  • 制御フロー命令 (分岐: 条件分岐・無条件分岐、ジャンプ、コール、リターン)
  • 入出力命令 (I・O命令) (メモリマップドI/O、ポートマップドI/O)
  • (オプション) SIMD命令 (Single Instruction, Multiple Data)
• アドレッシングモード (Addressing Modes)
  • アドレッシングモードとは (オペランドの有効アドレスを決定する方法)
  • 即値アドレッシング (Immediate Addressing)
  • レジスタアドレッシング (Register Addressing)
  • 直接アドレッシング (Direct Addressing ・ Absolute Addressing)
  • 間接アドレッシング (Indirect Addressing)
  • レジスタ間接アドレッシング (Register Indirect Addressing)
  • ディスプレースメントアドレッシング (Displacement Addressing)
    • 相対アドレッシング (Relative Addressing) (PC相対など)
    • ベースレジスタアドレッシング (Base Register Addressing)
    • インデックスアドレッシング (Indexed Addressing)
  • (オプション) スケールドインデックスアドレッシング
  • (オプション) スタックアドレッシング
• 命令フォーマット
  • 命令の構成要素 (オペコード、オペランド指定子など)
  • 固定長命令と可変長命令
  • 命令フォーマットの設計トレードオフ
• 代表的なISAの例
  • x86アーキテクチャの概要
  • ARMアーキテクチャの概要 (ARMv7, ARMv8・AArch64)
  • MIPSアーキテクチャの概要
  • RISC-Vアーキテクチャの概要 (オープンソースISA)

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4. 中央処理装置 (CPU - Central Processing Unit) ・ プロセッサ MOC

• CPUの基本構成要素
  • 制御装置 (Control Unit - CU)
    • 制御信号の生成
    • ハードワイヤード制御 (Hardwired Control)
    • マイクロプログラム制御 (Microprogrammed Control)
      • マイクロ命令、マイクロプログラム、制御記憶
  • 演算装置 (Arithmetic Logic Unit - ALU)
    • 算術演算、論理演算の実行
  • レジスタ (Registers)
    • 汎用レジスタ (General-Purpose Registers)
    • 専用レジスタ
      • プログラムカウンタ (PC ・ Instruction Pointer - IP)
      • 命令レジスタ (Instruction Register - IR)
      • メモリアドレスレジスタ (Memory Address Register - MAR)
      • メモリデータレジスタ (Memory Data Register - MDR ・ Memory Buffer Register - MBR)
      • スタックポインタ (Stack Pointer - SP)
      • フラグレジスタ (Flag Register ・ Status Register) (ゼロフラグ、キャリーフラグなど)
• 命令実行サイクル (Instruction Execution Cycle)
  • フェッチ (Fetch)
  • デコード (Decode)
  • 実行 (Execute)
  • (オプション) メモリアクセス (Memory Access)
  • (オプション) ライトバック (Write Back)
• データパス (Datapath) と制御
  • データパスとは (CPU内のデータの流れと処理要素)
  • 単純なデータパス設計
    • 単一サイクルプロセッサ (Single-Cycle Processor)
      • 単一サイクルプロセッサの設計と性能
      • 単一サイクルプロセッサの限界 (遅い命令に律速される)
    • 複数サイクルプロセッサ (Multi-Cycle Processor)
      • 複数サイクルプロセッサの設計と状態遷移
      • 複数サイクルプロセッサの利点 (命令ごとに異なるサイクル数)
  • パイプライン処理 (Pipelining)
    • パイプライン処理の基本概念 (スループット向上)
    • パイプラインステージ (IF, ID, EX, MEM, WB)
    • パイプラインの性能評価 (スピードアップ率)
    • パイプラインハザード (Pipeline Hazards)
      • 構造ハザード (Structural Hazard) とその対策
      • データハザード (Data Hazard) (RAW, WAR, WAW)
        • フォワーディング (Forwarding ・ Bypassing)
        • ストール (Stall ・ Bubble)
        • 命令スケジューリング (コンパイラによる最適化)
      • 制御ハザード (Control Hazard ・ Branch Hazard)
        • 分岐予測 (Branch Prediction) (静的予測、動的予測、分岐履歴テーブル BHT, 分岐ターゲットバッファ BTB)
        • 遅延分岐 (Delayed Branch)
    • パイプラインの実装例 (MIPSパイプラインなど)
    • スーパースカラーとVLIWにおけるパイプライン
• 命令レベル並列性 (Instruction-Level Parallelism - ILP)
  • ILPとは (複数の命令を同時に実行する技術)
  • スーパースカラープロセッサ (Superscalar Processor)
    • 命令発行 (In-order ・ Out-of-order execution)
    • レジスタリネーミング (Register Renaming)
    • リオーダバッファ (Reorder Buffer - ROB)
    • 予約ステーション (Reservation Station)
  • VLIWプロセッサ (Very Long Instruction Word Processor) (コンパイラが並列性をスケジューリング)
• 分岐予測の詳細
  • 静的分岐予測 (Static Branch Prediction) (常に分岐する/しない、後方分岐はする等)
  • 動的分岐予測 (Dynamic Branch Prediction)
    • 1ビット分岐予測器
    • 2ビット飽和カウンタ分岐予測器 (Bimodal Predictor)
    • ローカル分岐予測器 (Local Branch Predictor)
    • グローバル分岐予測器 (Global Branch Predictor ・ Correlating Predictor)
    • トーナメント分岐予測器 (Tournament Predictor)
    • 分岐ターゲットバッファ (Branch Target Buffer - BTB)
• (オプション) マイクロアーキテクチャの例 (Intel Coreシリーズ, AMD Ryzenシリーズなど)

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5. メモリシステム (Memory System) MOC

• メモリの基本
  • メモリの役割と種類 (主記憶、補助記憶)
  • メモリの性能指標 (アクセス時間、サイクル時間、バンド幅)
• メモリ階層 (Memory Hierarchy)
  • メモリ階層の概念 (速度、容量、コストのトレードオフ)
  • 階層の構成 (レジスタ - キャッシュ - 主記憶 - 補助記憶)
  • 局所性の原則 (Principle of Locality)
    • 時間的局所性 (Temporal Locality)
    • 空間的局所性 (Spatial Locality)
• キャッシュメモリ (Cache Memory)
  • キャッシュメモリの基本原理と動作
  • キャッシュの構成要素 (キャッシュライン・ブロック、タグ、データ、有効ビット)
  • キャッシュマッピング方式 (Cache Mapping Schemes)
    • ダイレクトマップ方式 (Direct Mapped Cache)
    • フルアソシアティブ方式 (Fully Associative Cache)
    • セットアソシアティブ方式 (Set-Associative Cache) (Nウェイセットアソシアティブ)
  • キャッシュヒットとキャッシュミス (Cache Hit / Cache Miss)
    • ヒット率 (Hit Rate) とミス率 (Miss Rate)
    • 平均メモリアクセス時間 (Average Memory Access Time - AMAT)
    • キャッシュミスの種類 (3C)
      • コンパルソリミス (Compulsory Miss ・ Cold Start Miss)
      • キャパシティミス (Capacity Miss)
      • コンフリクトミス (Conflict Miss ・ Collision Miss)
      • (オプション) コヒーレンスミス (Coherence Miss) (マルチプロセッサ環境)
  • キャッシュ置き換えアルゴリズム (Cache Replacement Algorithms) (フル/セットアソシアティブの場合)
    • LRU (Least Recently Used)
    • FIFO (First-In, First-Out)
    • LFU (Least Frequently Used)
    • ランダム (Random)
    • (オプション) PLRU (Pseudo-LRU)
  • キャッシュ書き込みポリシー (Cache Write Policies)
    • ライトスルー (Write-Through)
      • ライトバッファ (Write Buffer)
    • ライトバック (Write-Back)
      • ダーティビット (Dirty Bit)
    • (オプション) ライトアロケート (Write Allocate) とノーライトアロケート (No-Write Allocate ・ Write Around)
  • キャッシュの設計パラメータと性能への影響 (ブロックサイズ、キャッシュサイズ、結合度)
  • マルチレベルキャッシュ (Multi-level Caches) (L1, L2, L3キャッシュ)
    • インクルーシブキャッシュ (Inclusive Cache) とエクスクルーシブキャッシュ (Exclusive Cache)
  • 命令キャッシュとデータキャッシュの分離 (Split Cache)
• 主記憶装置 (Main Memory / Primary Storage)
  • RAM (Random Access Memory) の種類
    • SRAM (Static RAM) (キャッシュに使われることが多い)
    • DRAM (Dynamic RAM) (主記憶に使われることが多い)
      • DRAMのセル構造とリフレッシュ動作
      • DRAMのアクセスモード (RAS, CAS)
      • SDRAM (Synchronous DRAM)
      • DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) (DDR, DDR2, DDR3, DDR4, DDR5)
      • (オプション) RDRAM (Rambus DRAM)
  • ROM (Read-Only Memory) の種類 (PROM, EPROM, EEPROM, Flash Memory)
  • メモリコントローラ (Memory Controller)
• 仮想記憶 (Virtual Memory)
  • 仮想記憶の概念と目的 (メモリ容量の拡張、メモリ保護、プロセス分離)
  • 仮想アドレスと物理アドレス
  • ページング方式 (Paging)
    • ページ (Page) とページフレーム (Page Frame)
    • ページテーブル (Page Table)
      • ページテーブルエントリ (PTE) (有効ビット、保護ビット、参照ビット、ダーティビットなど)
    • メモリアクセスとページフォールト (Page Fault)
    • ページフォールト処理 (デマンドページング)
    • ページ置き換えアルゴリズム (LRU, FIFO, クロックアルゴリズムなど) (OSの役割)
    • ワーキングセットモデル (Working Set Model)
    • スラッシング (Thrashing)
  • セグメンテーション方式 (Segmentation) (ページングとの比較)
  • TLB (Translation Lookaside Buffer)
    • TLBの役割 (ページテーブルのキャッシュ)
    • TLBヒットとTLBミス
  • マルチレベルページテーブル (Multi-level Page Tables)
  • インバーテッドページテーブル (Inverted Page Tables)
• エラー検出と訂正 (Error Detection and Correction)
  • パリティビット (Parity Bit)
  • ハミングコード (Hamming Code)
  • ECCメモリ (Error-Correcting Code Memory)
• 補助記憶装置 (Secondary Storage) (概要、主記憶との比較)
  • HDD (Hard Disk Drive)
  • SSD (Solid State Drive)

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6. 入出力 (I・O - Input・Output) システム MOC

• I/Oの基本
  • I・Oデバイスの種類 (キーボード、マウス、ディスプレイ、ディスク、ネットワークインターフェース)
  • I・Oモジュール (I・O Controller ・ Device Controller) の役割
  • I・Oポートとデバイスレジスタ (データ、ステータス、制御)
• I/O制御方式
  • プログラムドI・O (Programmed I・O - PIO)
    • ポーリング (Polling)
    • PIOの利点と欠点 (CPU負荷)
  • 割り込み駆動I・O (Interrupt-driven I・O)
    • 割り込み (Interrupt) のメカニズム (割り込み要求 IRQ, 割り込みベクタ, 割り込みハンドラ ISR)
    • 割り込みの種類 (ハードウェア割り込み、ソフトウェア割り込み)
    • 割り込み優先度と多重割り込み
    • 割り込み駆動I・Oの利点と欠点
  • DMA (Direct Memory Access)
    • DMAコントローラ (DMAC) の役割
    • DMA転送のステップ (サイクルスチール、バースト転送)
    • DMAの利点 (CPU負荷軽減)
  • (オプション) I・OチャネルとI・Oプロセッサ (大規模システム)
• データ転送のインターフェースとバス
  • バス (Bus) の基本 (アドレスバス、データバス、制御バス)
  • バスアーキテクチャ (同期バス、非同期バス)
  • バス調停 (Bus Arbitration) (デイジーチェーン、集中調停、分散調停)
  • 代表的なバス規格
    • ISAバス (Industry Standard Architecture) (歴史的)
    • PCIバス (Peripheral Component Interconnect)
    • PCI Express (PCIe)
    • USB (Universal Serial Bus)
    • SATA (Serial ATA)
    • SCSI (Small Computer System Interface) (歴史的、サーバー向け)
    • (オプション) Thunderbolt
    • (オプション) InfiniBand (HPC向け)
• I/O性能
  • I・Oアクセス時間 (レイテンシ)
  • I・Oスループット (データ転送レート)
  • RAID (Redundant Array of Independent Disks) (概要)

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7. 並列処理とマルチコアアーキテクチャ MOC

• 並列処理の基本
  • 並列処理の目的 (性能向上、スループット向上)
  • 並列性の種類 (命令レベル、データレベル、タスクレベル)
• フリンの分類 (Flynn’s Taxonomy)
  • SISD (Single Instruction, Single Data) (従来の逐次処理)
  • SIMD (Single Instruction, Multiple Data)
    • ベクトルプロセッサ (Vector Processor)
    • アレイプロセッサ (Array Processor)
    • GPUにおけるSIMD (SIMT - Single Instruction, Multiple Threads)
  • MISD (Multiple Instruction, Single Data) (稀、パイプライン処理の一形態と解釈されることも)
  • MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data)
    • 共有メモリ型マルチプロセッサ (Shared Memory Multiprocessor)
    • 分散メモリ型マルチプロセッサ (Distributed Memory Multiprocessor ・ Multicomputer)
• 共有メモリ型マルチプロセッサ
  • UMA (Uniform Memory Access) (対称型マルチプロセッサ - SMP)
  • NUMA (Non-Uniform Memory Access)
  • キャッシュコヒーレンス (Cache Coherence)
    • キャッシュコヒーレンス問題とは (複数キャッシュ間でのデータ不整合)
    • スヌーピングプロトコル (Snooping Protocol) (MSI, MESI, MOESI)
    • ディレクトリベースプロトコル (Directory-based Protocol)
  • メモリ一貫性モデル (Memory Consistency Model) (逐次一貫性、緩和された一貫性など - 概要)
  • 同期プリミティブ (アトミック命令、ロック、セマフォなど - ハードウェアサポート)
• 分散メモリ型マルチプロセッサ
  • メッセージパッシング (Message Passing)
  • インターコネクションネットワーク (Interconnection Network)
    • ネットワークトポロジ (バス、リング、メッシュ、トーラス、ハイパーキューブなど)
    • ルーティングアルゴリズム
    • スイッチング技術 (ストア&フォワード、カットスルー)
• マルチコアプロセッサ (Multicore Processors)
  • チップマルチプロセッサ (Chip Multiprocessor - CMP)
  • マルチコアにおけるキャッシュ階層と共有キャッシュ
  • コア間通信
• 同時マルチスレッディング (Simultaneous Multithreading - SMT) (IntelのHyper-Threadingなど)
• GPU (Graphics Processing Unit) と GPGPU (General-Purpose computing on GPUs)
  • GPUアーキテクチャの概要 (多数のコア、SIMT実行モデル)
  • CUDA (NVIDIA) と OpenCL (Khronos Group) (プログラミングモデルの観点)
• (オプション) データフローアーキテクチャ
• (オプション) シストリックアレイ
• (オプション) リコンフィギュラブルコンピューティングとFPGA

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8. 現代のトピックと将来の展望 MOC

• 低消費電力設計 (Low-Power Design)
  • 動的消費電力と静的消費電力 (リーク電流)
  • クロックゲーティング (Clock Gating)
  • パワーゲーティング (Power Gating)
  • DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling)
  • モバイルデバイス向けアーキテクチャ (例: ARM big.LITTLE)
• ハードウェアセキュリティ
  • サイドチャネル攻撃 (Side-Channel Attack) (タイミング攻撃、電力解析攻撃など - 概要)
  • Spectre と Meltdown の概要と対策
  • ハードウェアセキュリティモジュール (HSM)
  • 物理的複製困難関数 (PUF - Physically Unclonable Function)
  • 信頼実行環境 (TEE - Trusted Execution Environment) (ARM TrustZoneなど)
• アクセラレータとヘテロジニアスコンピューティング
  • 特定用途向けアクセラレータ (ASIC, FPGAベース)
  • ヘテロジニアスシステムアーキテクチャ (CPU + GPU + DSPなど)
• (超概要) 量子コンピュータ (Quantum Computing)
  • 量子ビット (Qubit)
  • 量子重ね合わせと量子もつれ
  • 量子ゲートと量子アルゴリズム (Shorのアルゴリズム、Groverのアルゴリズム)
• (超概要) ニューロモーフィックコンピューティング (Neuromorphic Computing)
  • 脳型コンピュータのコンセプト
  • スパイキングニューラルネットワーク (SNN)
• (超概要) メモリ中心コンピューティング (In-Memory Computing ・ Processing-In-Memory)
• (超概要) 光コンピューティング (Optical Computing)