連載｜組込みシステムにおけるマルチコア
第1回基礎編 ―並列処理が必要になってきた背景

現代の組込みシステムは、複雑化・高性能化の一途をたどっています。AI、IoT、クラウドといった技術の進展により、処理すべきデータ量は爆発的に増加し、従来の「1つの命令を順番に処理する」方式では対応が難しくなっています。そこで鍵となるのが「並列処理」。

本シリーズでは、CPUやシステム設計における並列処理の考え方から実装の工夫までを、全4回にわたって解説します。第1回は、その基礎となる「直列処理」と「並列処理」の違いを整理します。

この連載の記事一覧

連載｜組込みシステムにおけるマルチコア

第1回基礎編 ―並列処理が必要になってきた背景
第2回ハードウェア編 ―マルチCPUとマルチコア
第3回並列化の限界とソフトウェアによる対策
第4回並列化の実践と設計ポイント ―マルチコア活用

1. 直列化されたプロセス

2. プロセスの並列化

2.1 疑似並列化

2.2 真の並列化

1. 直列化されたプロセス

現在、社会の至るところに遍在するCPUデバイス（HPC、サーバーデバイス、デスクトップデバイス、モバイルデバイスやマイコンを組み込んだ機器など）で使われているCPUの大半は、いまだに1940年代に作られた「ノイマン型コンピュータ」と呼ばれるものです。

このCPUでは、“タスクAを実行してからタスクBを実行する”というように、命令を順番に実行する「直列化されたプロセス」で処理が行われます。

直列化されたプロセスでは、共通の伝送路であるCPUバスを介してプログラムコードを逐次実行し、データメモリ、周辺ペリフェラルにアクセスしますが、このバスの共有がシステム性能のボトルネックになることがありました。

その後、半導体製造プロセス技術の発展とともに、古典的な発想であるノイマン型コンピュータはより高速なクロックで実行できるようになり、ノイマン型のバスボトルネックに対応するために、以下の工夫や拡張が加えられるようになりました。

命令キャッシュ・データキャッシュによるバス使用率の低減
命令バスとデータバスの分離（ハーバートアーキテクチャ）によるバスの輻輳改善
バス・マトリックストポロジー構成によるアクセス輻輳回避
分岐予測と投機的な実行
SIMD（Single Instruction Multiple Data）命令（単一命令で複数のデータを処理する命令）のサポート
スーパースカラーアーキテクチャによる命令レベルの並列化

2. プロセスの並列化

2.1 疑似並列化

仕事（タスク）は、プログラム実行機能である1つの中央処理装置(CPU)によって、複数の処理を順番に1つずつ逐次処理されます。人に例えるなら、料理中に電話がかかってきた場合、その料理という仕事（タスク）が終わってから電話を受けることになります。その電話がどんなに緊急であっても、前に他のタスクがあればこれに即座に対応することができません。

マルチタスク動作をサポートするOSは、複数の逐次処理（タスク）単位で、CPUに個々に処理を割り当てて効率的かつ迅速に実行します。上述の料理と電話の例であれば、「料理を中断」「かかってきた電話に対応」「料理を再開」という実行環境を提供してくれます。

このOS機能により、CPUは休むことなく常に意味ある仕事（タスク）を実行し、重要度や緊急度に合わせて仕事（タスク）を切り替えることが可能になります。

実際は複数のタスクがCPUを時分割で使用するのですが、並列に動作しているように見えます。この見かけ上の並列性から、これを「疑似並列実行」と呼びます。