パイプラインハザードは、CPUやマイクロプロセッサ（MPU）内部でのパイプライン処理において発生する問題です。
この問題が生じることで、CPUの効率が低下し、システム全体の処理速度に影響を与える可能性があります。
この記事では、パイプラインハザードの基本的な仕組みやその種類について、IT分野の専門的な視点から詳しく解説します。
パイプラインハザードの基本概念
パイプライン処理とハザードの発生
CPUのパイプライン処理は、複数の命令を段階的に分け、それぞれを並行して処理することで効率を向上させる技術です。
しかし、命令間の依存関係や資源の競合などが原因で、処理が滞ったり、途中でやり直しが必要になる状況が生じることがあります。
これがパイプラインハザードです。
パイプラインハザードの影響
パイプラインハザードが発生すると、CPUは一時的に処理を停止しなければならず、スループット（処理能力）が低下する可能性があります。
ハザードの種類や対策方法を理解することで、CPUのパフォーマンスを最大限に活用できるようになります。
パイプラインハザードの主な種類
1. データハザード
データハザードは、ある命令が前の命令の結果を必要とする場合に発生します。
この依存関係により、先行する命令の処理が完了するまで待機が必要となるため、パイプラインの流れが一時的に止まることがあります。
データハザードの例
例えば、ある計算命令が前の命令の計算結果を必要とする場合、前の命令が完了するまで次の命令が進めません。
このような場合、データハザードが発生し、CPUは待機状態に入ります。
これを回避するため、フォワーディング（転送）技術やストール（停止）などの手法が用いられます。
2. 構造ハザード
構造ハザードは、複数の命令が同じタイミングで同一のハードウェア資源を使用しようとする場合に発生します。
例えば、キャッシュメモリやレジスタファイルへのアクセスが重複すると、処理が詰まることがあります。
構造ハザードの解決策
構造ハザードを回避するためには、各命令が異なる資源を使用するよう設計したり、資源の追加を検討することが一般的です。
この対策により、同時実行性を保ちつつパフォーマンスの低下を防ぐことができます。
3. 制御ハザード（分岐ハザード）
制御ハザードまたは分岐ハザードは、条件分岐命令が関係する場合に発生します。
条件評価が完了する前に、CPUが予測した分岐先に従って処理を進めることで、分岐の予測が誤った場合、パイプライン内の命令を破棄し、正しい命令を再実行しなければならなくなります。
分岐予測と制御ハザードの軽減
制御ハザードの影響を軽減するために、CPUは分岐予測（Branch Prediction）を行い、適切な分岐先を事前に判断します。
分岐予測が正確であるほど、制御ハザードの発生率は低くなり、スムーズなパイプライン処理が可能になります。
パイプラインハザードへの対策
フォワーディング（データ転送）
データハザードに対する対策の一つに、フォワーディング技術があります。
これは、必要なデータを他の命令から直接取り出すことで、依存関係による待機時間を最小限に抑える方法です。
ストール（停止）
ストールとは、パイプラインの進行を一時的に停止させ、前の命令の処理が完了するまで待機する方法です。
これによりデータハザードの影響を抑えることができますが、ストールの頻度が高いと全体の効率が低下するため、他の対策との組み合わせが推奨されます。
分岐予測
制御ハザードの発生を軽減するために、CPUは分岐予測機能を備えています。
高度な分岐予測アルゴリズムにより、命令の実行経路をあらかじめ推測することで、無駄な処理を最小限に抑えます。
まとめ
パイプラインハザードは、CPUのパイプライン処理において効率を低下させる要因となる問題です。
データハザード、構造ハザード、制御ハザードの三つの種類があり、それぞれ異なる原因によって発生します。
これらのハザードに対する適切な対策を講じることで、CPUの処理能力を最大限に引き出し、効率的なシステム運用が実現可能となります。