Cell Broadband Engine

Cell Broadband Engineの最新ニュースをまとめて検索！

この項目では、CPUのCellについて記述しています。そのほかのCellについては「セル」をご覧ください。

Cell Broadband Engineのダイ

Cell Broadband Engine（セル・ブロードバンド・エンジン）あるいは単にCell（セル）は、ソニー、ソニー・コンピュータエンタテインメント(SCE)、IBM、東芝によって開発されたマイクロプロセッサである^[1]。

ソニー・コンピュータエンタテインメントの家庭用ゲーム機である「プレイステーション3」を筆頭に、一部のサーバーやワークステーション、薄型テレビなどの様々な製品に採用されている。また、米エネルギー省が保有するスーパーコンピューター「Roadrunner」にも使われている。

[編集] 概要

Cellはマルチコアに分類され、ひとつのマイクロプロセッサに9つのコア（頭脳）を持っている。内訳には1個の汎用的なプロセッサコアと、8個のシンプルなプロセッサコアを組み合わせたヘテロジニアスマルチコア（ヘテロジニアス: 非対称、異種混合）という形態をもつ。

汎用プロセッサコアはPowerPC Processor Element (PPE) と呼ばれる制御を担うコアで、8個のコアはSynergistic Processor Element (SPE) と呼ばれる演算を担うコアである。

PPE、SPE共に従来のパソコン向けのマイクロプロセッサであるPowerPC G5やPentium 4、Athlon 64といった高度なアウト・オブ・オーダー実行機能や分岐予測機構を持つマイクロプロセッサとは異なり、命令を並び替えたりするような複雑なスケジューリング機構を搭載しないことでコアを単純化し、高クロック化を実現している。

そのため、複雑な条件分岐を伴う整数演算能力はパソコン向けのマイクロプロセッサと比べ劣るが、強力で高度に並列化された演算機能を備え、数値解析やシミュレーション、動画、音声処理などにおいては、複数のコアを並列に動作させることによって、Cellの性能を発揮させることができる。

また、仮想マシン支援機能が搭載されており、複数の仮想マシン上で複数のOS（ゲストOS）を互いに干渉させること無く走らせることができる。通常のOSが動作するスーパーバイザーモードの上位にハイパーバイザーモードがあり、仮想マシンを管理する最上位OSはこのハイパーバイザーモードで動作している。

エンディアン（メモリ配置）順序はPowerPCアーキテクチャではビッグエンディアン、リトルエンディアン双方に切り替え可能だが、Cellではビッグエンディアンで統一している。

[編集] プロセッサアーキテクチャ

[編集] PowerPC Processor Element

PowerPC Processor Elementのブロックダイアグラム

PPE は64ビットPOWERアーキテクチャであり、命令セットはPowerPC G5互換ではあるが、既存のPowerPC系CPUと異なる内部構造（Xbox 360のPowerPCコアに似ている）をもつ新設計のコアである。2スレッドを交代に実行することが可能で、スレッドの切り換えが速い事から、OSの駆動などを受け持つ。また、AltiVecにも対応している。

PowerPC Architecture,Book I～III に準拠することが求められ、中にはBook I～IIIでのオプション仕様がPPEでは必須になっているものがある。VMXもその一つ。

PPEの浮動小数点演算性能はIBMの示した布シミュレーションの例では、2.4GHz駆動のPPEがPentium 4 3.6GHz相当CPUの20%程度のパフォーマンスしか出ておらず、浮動小数点演算は得意ではないと言え、通常はSPEなどへのリソースマネージメントを行うことになる^[2]。

Cellの仕様を満たすためには最低1つは搭載することが求められる。

[編集] Synergistic Processor Element

Synergistic Processor Elementのブロックダイアグラム

SPE は SIMD系のアーキテクチャで、単精度浮動小数点演算を4スロット同時に処理することができ、倍精度浮動小数点演算を2スロット同時に演算できる。また整数も16ビット値を8スロット、32ビット値を4スロットの演算ができる。以上のようなベクトル演算が可能な128ビット長128個のレジスタを持ち、ソフトウェアパイプライニングなど処理の最適化を可能とする。また、キャッシュメモリは持たず代わりに256KiBのローカルストア (LS) と呼ばれるSRAM専用メモリを持っており、そこにプログラムとデータを格納して実行する。SPEはメインメモリ上のプログラムとデータを直接扱えず、DMAを用いてXDR DRAMメモリとLS間の転送を行う必要がある。LSはメインメモリから独立したメモリ空間を持つため、キャッシュコヒーレンシ保持の仕組みが不要で高速化に貢献している。例えるなら常にL1キャッシュに当たっている状態である。SPEはMemory Flow Controller (MFC) と呼ばれる制御ユニットに専用のDMAコントローラを持ち、これによりSPEは多量のデータを高速に処理するストリーム処理を可能とする。IBMの示した物理挙動シミュレーションとレンダリングの例では、3.2GHzのPentium 4と比較し、2.1GHz駆動のSPE1基で1.5倍、8基で12倍の性能差を記録した^[2]。命令長は32ビット固定である。

Cellの仕様を満たすためには最低1つは搭載することが求められる。

[編集] アイソレーションモード

セキュリティ強化のため、SPEはアイソレーションモードと呼ばれる特殊な動作モードを備えている^[3]。これは、暗号化・復号処理やCSSやAACSなどのデジタル著作権管理システムでの利用が想定されている。

アイソレーションモードで動作するSPEのLS領域は他のSPEやPPEからのアクセスが遮断され、外部からの読み書きは一切できない。アイソレーションモードで暗号に用いる秘密鍵などの機密情報を扱うことで、他のプロセスからそれらを盗み取ることを不可能にする。

SPEはアイソレーションモード用の移行・離脱命令を実行することでそのモードに遷移する。一旦SPEがアイソレーションモードに入ると、外部から可能な操作はそのSPEで動作するプロセスの停止のみである。離脱命令および外部からのプロセス停止が実行されると、SPEのコンテキストおよびそのLSに置かれたプログラムやデータは速やかに消去されるため、機密情報が外部に漏洩することは無い。また、アイソレーションモードで実行されるプログラムコードは、それが本来のものと改変されていないか検証してから実行されるため、第三者による有害なコードを実行する危険性を排除している。

プロセス間の干渉を防ぐ機構として多くのプロセッサではCPUモードを備えているが、スーパーユーザーなどの元々高い権限を持つユーザが有害なプロセスを特権モードで動作させた場合にはこれを防止できない。アイソレーションモードはこのような場合でも機密情報を守ることが可能である。

[編集] 入出力

プロセッサコア以外に、Rambus社からライセンス供与を受けた帯域幅25.6GB/sの新メモリXDR DRAMのメモリコントローラと、チップ間接続のための新インタフェースFlexIOも搭載する。FlexIOの帯域幅は最大76.8GB/sとなる。Cell内のコアとこれらのインタフェース群はやはり広帯域のリング状内部バスElement Interconnect Bus (EIB)と呼ばれるもので接続される。

[編集] IIC

Internal Interrupt Controller の事であり、Cell内部で割り込み処理を担っている。外部からの割り込み信号の対応や内部のPPEやSPEから発せられた割り込みを外部に伝えたりしている。

[編集] EIB

Element Interconnect Bus の事であり、Cell内部のメインバスとして各部を接続している。現在の実装（PPE×1+SPE×8）ではリングバス構造をしている。

実装によって大きく異なるのでCell仕様の範囲外とされている。EIBとしての役目が果たせるならば実装上の制限は無い。

[編集] 構成

2005年現在はコアが9個（PPE×1+SPE×8）搭載されているが、これはCell Broadband Engine アーキテクチャと呼ばれる規格化された拡張可能なアーキテクチャの一実装形態であり、これを1PEとした4PE（PPE×4+SPE×32）など多様な構成を取り得る^[4]。

Cell Broadband Engineアーキテクチャ仕様書ではPPEとSPEがそれぞれ一つ以上が含まれる事を要求している。さらにIIC、EIBがそれぞれ一つ含まれる事を要求している^[5]。

東芝が2007年9月に発表した^[6]Cellベースのメディアプロセッサ「SpursEngine」は、SPEを4個とMPEG-2、H.264のエンコード・デコード回路を搭載し、動作周波数もCellより低い1.5GHz駆動(10W台)という構成である。

[編集] ビット長呼称

CPUのニーモニックによってビット長呼称が違っているが、Cellの場合は以下の通りになっている。

[編集] プログラミングモデル

CellのSPEは通常のマルチプロセッサと異なり各SPEが独立したメモリ空間を持ち、また分岐予測などのハードウェア機構を持たないため、その性能を十分に引き出すにはそれに合わせたプログラミングモデルを採用する必要がある。Cellの開発者たちは次のようなモデルを提案している^[7]。

[編集] ジョブ・キュー

PPEがシステムメモリ上のジョブ・キューを管理し、複数のSPEにジョブを割り当てて管理する。ジョブ・キューからジョブをDMAコントローラを介してローカルストアに読み込む mini kernel が各SPE上で走り、ジョブを実行した結果をシステムメモリに返し、PPEと同期を取る。

[編集] SPEによる自己マルチタスク

各SPEにkernelを持ち、共有メモリのタスク・キューを使い、分散してスケジュールが行なわれる。タスクの同期は、ミューテックスまたはセマフォにより実現される。

[編集] ストリーム・プロセッシング

各SPEは、input stream からの入力データに対してカーネル関数を実行し、その結果をoutput stream に送る。これは、シリアルまたは並列パイプラインを容易に実現する。このモデルは、データができるだけ長くローカルストアに存在するので効率がよい^[8]。

[編集] 最適化コンパイラ

最適化は、Synergistic Processing Unit (SPU) のインストラクションレベル、自動SIMD化、共有メモリモデルの自動並列化の3レベルがある。SPUのインストラクションレベルでは、ハードウエアで分岐予測を持たないので、分岐ヒント命令を少なくとも分岐の11サイクル前に自動的にスケジュールする。共有メモリモデルの自動並列化は、OpenMPで記述された1つのソースからPPEとSPEに自動分割する。SPEにおいては、コードは自動分割され、規則的なデータは共有メモリとローカルストア間のDMA命令に自動生成され、不規則なデータはソフトウエアキャシュにより処理される。ソフトウエアキャッシュ（4 way set 連想メモリ）は、SIMD命令で実行される。

[編集] 沿革

• 2001年3月9日　ソニー・コンピュータエンタテインメントと、IBM、東芝がブロードバンド時代に向けた超並列プロセッサの共同研究および開発に合意。
• 2004年11月29日　ソニー・コンピュータエンタテインメント、IBM、ソニー、東芝が次世代プロセッサ「Cell」についてISSCC（国際固体素子回路会議）に関連する論文を提出と発表。
• 2005年2月　米国で開催されたISSCC（国際固体素子回路会議）で概要を公表、試作品が初披露された。
• 2005年3月31日　Transmeta社がCell派生品などに自社の省電力技術「LongRun2」を組み込んでいくことを発表した^[9][10]。
• 2005年5月17日　E3において プレイステーション3 に搭載されるCellが3.2GHz動作で1PPE+7SPEであることが発表された。7SPEなのは、SPE一つが不良でも動作するようにし、歩留まり向上を計ったとのこと^[11]。
• 2005年6月　米Mercury Computer Systemsがサーバ/ワークステーションの開発を表明。2006年春から評価ボードを発売。2007年初頭までにブレードサーバシステムもリリースしている。なお、2006年夏にはCELLを用いたアクセラレータボードを発表している。
• 2005年8月25日　ソニー・コンピュータエンタテインメント・ソニー・IBM・東芝はCellブロードバンド・エンジン・アーキテクチャの革新的な技術の詳細について、主要な技術仕様書を公開（英語）。
• 2005年9月　東芝がデジタル家電向けの開発キットを発表。
• 2005年9月7日 公式サイトの技術仕様書の一部に日本語版追加。
• 2005年11月9日 開発キットおよび関連仕様書「Cell Broadband Engine Software Development Kit（CBE SDK）」を公開。
• 2005年12月14日 公式サイトの技術仕様書の一部に日本語版追加。同年8月25日から英語版で公開されていた物の日本語版が揃う。
• 2006年2月8日　米IBMがCellプロセッサを採用したブレードサーバを開発したと発表。2006年9月に発売開始（価格は1台100万円台～）。
• 2006年9月　IBM、ロスアラモス国立研究所のペタフロップススパコン計画Roadrunnerシステムにアクセラレータとして採用^{[12] [13]}。
• 2006年11月11日 90nmプロセスのCellを搭載したプレイステーション3が発売^[14]。
• 2006年11月15日 ジョージア工科大学がSony-Toshiba-IBM（第三者による自主的活動拠点）Center of Competenceとして選定された。
• 2007年2月 IBMが、ISSCC(IEEE International Solid-State Circuits Conference)2007にて、65nmプロセスのCellを発表。
• 2007年9月20日 東芝が、Cell技術を用いた省電力フルHD画像処理コプロセッサ「SpursEngine」を発表^[6][15]。
• 2007年10月12日 IBMが、集積度を二倍に高めたCellブレードサーバを発表^[16]。
• 2007年10月29日 Cell Open Cafe（財）北九州産業学術推進機構（FAIS）がSony-Toshiba-IBM（第三者による自主的活動拠点）Center of Competenceとして選定された。
• 2007年11月11日 65nmプロセスのCellを搭載したプレイステーション3（CECHH00シリーズ）が発売^[17]。
• 2008年2月4日 IBM、Toshiba America Electronic Components、ソニー・コンピュータエンタテインメントが共同で、ISSCC(IEEE International Solid-State Circuits Conference)2008にて、45nmプロセスのCellを発表^[18]。今後のプレイステーション3等に搭載される予定。
• 2008年4月3日 フィックスターズ、最新型Cellを搭載したPCIeボード「GigaAccel 180」を発売。^[19]
• 2008年5月8日 東芝経営方針説明会において、Cell搭載テレビを2009年秋に発売予定を発表^[20]。
• 2008年5月17日 IBM、拡張倍精度（eDP）SPEを8基搭載し、倍精度浮動小数点演算を最大5倍に強化した「PowerXCell™ 8i プロセッサー」を開発、搭載ブレードサーバーをリリース。^[21]
• 2008年5月27日 みずほ証券、金融デリバティブ高速計算システムに、Cell/B.Eを世界で初めて採用。従来システムに比べて高速化に成功。10倍以上の見込みも。^[22][23]
• 2008年6月10日 Cellベースのスーパーコンピュータ「Roadrunner」が「Blue Gene/L」を二倍以上引き離す1ペタフロップスを世界最速達成。^[24]
• 2008年6月23日 東芝が、Cell技術を用いたメディアプロセッサ「SpursEngine SE1000」を搭載したノートパソコン「Qosmio G50/F50」を発売すると発表^[25]。
• 2008年7月18日 CRI・ミドルウェア、東芝SpursEngine™向けミドルウェアに参入^[26]
• 2008年7月25日 東芝セミコンダクター、「SpursEngine Developers Forum 2008」を開催。「SPEのプログラミング手法を知らなくても利用可能」^[27]
• 2008年8月13日 ソニー、北米市場へ向けCell/B.E.搭載、4K2K映像制作ユニット『BCU-100』“ZEGO(ゼゴ)”発表。年内発売へ^[28]
• 2008年11月26日 CRI・ミドルウェア、SpursEngine™向けコンソールツール、SpursEngineコンソールエンコーダ「CRI SpursCoder」及び掲示板を公開^[29]
• 2008年12月8日 三菱総合研究所、動産担保融資における在庫データのモニタリングにCell/B.E.を活用^[30]
• 2009年2月24日 フィックスターズ、Cell活用のH.264リアルタイムソフトウェアエンコーダ「CodecSys CEシリーズ」発売^[31]
• 2009年5月22日 北九州産業学術推進機構（FAIS）、Cell/B.E.システム群を北九州学術研究都市の研究者に無償で開放。^[32][33]
• 2009年8月19日 SCEJが、45nmプロセスのCellを搭載したプレイステーション3（CECH-2000A）を、9月3日に発売する事を発表^[34]。
• 2009年10月5日 東芝は、Cellプラットフォームを初めて搭載した液晶テレビ「CELLレグザ 55X1」を12月上旬より発売すると発表^[35]。
• 2009年11月20日 連邦政府調達サイトに、アメリカ空軍が軍用のスーパーコンピュータの研究開発のためにプレイステーション3を2,200台発注する予定であることが掲載された^[36]。

[編集] 関連項目

• IBM
• ソニー・コンピュータエンタテインメント
• 東芝
• プレイステーション3
• Xbox 360
• レグザ
• スーパーコンピュータ
• セリウス (企業)
• SpursEngine
• フィックスターズ

[編集] 脚注・出典

[編集] 外部リンク、参考文献

[編集] ソニーコンピュータエンタテインメント

• Cell Broadband Engine/Sony Computer Entertainment Inc.

アーキテクチャ、ニーモニック、SPE向けの言語拡張などCellに関する基本情報を網羅している。

• CELL: A New Platform for Digital Entertainment

2005年のGame Developers ConferenceでSony Computer Entertainment US Research and Developmentが発表したスライド。

[編集] IBM

• IBM developerWorks:Cell Broadband Engine resource center
• IBM Journal of Research and Development Vol. 51, No. 5, 2007 - Cell Broadband Engine Technology and Systems

製造プロセスや、音声認識エンジンでの性能評価やプログラミングモデルなどの応用に関するジャーナル。

• Hardware and Software Architectures for the CELL BROADBAND ENGINE processor

Cellの開発で中心的役割を担ったIBMのPeter Hofsteeらによるチュートリアルスライド。

• PACT 2005: Optimizing Compiler for the Cell Processor

[編集] 東芝

• 東芝レビュー 61巻6号（2006年6月号)

Cellの概要のほか、開発用リファレンスキット、家電向けのI/Oインタフェースを提供するSuperCompanionChip、ハイパーバイザー、ソフトウェア開発環境、画像処理における性能評価などの技術報告。

• 東芝セミコンダクター社: Cell ユーザーズ・グループ

[編集] COC世界三拠点

• ジョージア工科大学
• Cell Open Cafe（財団法人 北九州産業学術推進機構 FAIS）