サターンのCPU

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目次

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動作速度

命令長

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SH1

乗除算

まとめ

乗除算

25MIPS が目標の値となっていますが、MIPS とはドライストンベンチマークというプログラムの実行速度を意味しています。ドライストンベンチマークは、各種プログラムを丹念に調べ、使われている処理の種類や、その発生頻度などを元に「一般的プログラムを動かした場合」の性能指標を得るために作られたプログラムです。

…逆に言うと、一般的ではない、特定用途に偏った処理内容になると、ドライストーンは必ずしも CPU の性能を示すものではなくなります。R3000 と SH2 は共に 25MIPS ですが、現実的には同じ性能ではないのです。

セガは、一般的なコンピューターを作成しようとしているのではありませんでした。究極の２Ｄゲーム機…そして少しは３Ｄも使えるゲーム機を作ろうとしていたのです。

ですから、同じ MIPS 値であれば、ゲームに使える機能が速い CPU こそが、本当に速い CPU です。

日立のストーリーによれば、条件の一つとして「ゲームソフトを想定したベンチマーク結果の提示」が入っているのは、そのような意味です。

R3000 も SH2 も、基本命令は１クロックで実行されるため速度差はありません。命令の動作は多少違いますが、ある程度の規模のプログラムでは、命令の動作の違いによる差はそれほど出ないでしょう。

速度差を決める一番の要因は、おそらく乗除算性能の違いによるものとなります。3Dゲームでは行列の計算を多用しますし、2Dでも回転などの表現に乗算は欠かせないためです。

これが、もう一つの条件である「乗算器の性能の向上」の理由でしょう。

さて、では SH2 と R3000 の乗除算を比較してみましょう。

R3000の掛け算は少し特殊です。

CPU が掛け算を指示すると、掛け算の計算が始まりますが、結果が出る前に次の命令が実行されます。

その後も、しばらく掛け算の結果が出ることはありません。

掛け算は、12クロック後に終了するとわかっています。

なので、他にできることを十分にやってから、「結果を教えて」と命令を出します。

すると、掛け算の結果が手に入るのです。

つまり、他の命令と一緒に実行することはできますが、掛け算は12クロックです。

掛け算と足し算をひたすら繰り返す行列演算において、「掛け算と足し算と、次の計算の準備」をあわせて 12クロック、と考えてよいでしょう。

SH2 は、掛け算を２～４クロック(通常は3クロック)で行います。

掛け算中に別の命令を実行することはできません。しかし、掛け算と足し算を同時に行う命令(積和命令)はあり、3Dの計算ではこれが役立ちます。

しかも、実は積和命令は行列計算用に特化されていて、積和と同時に次の計算の準備も終わらせてくれているのです。

12クロック対3クロック。これが R3000 と SH2 の乗算速度の差でした。

セガの要望には、乗算器の性能向上はあるのですが、除算器についてはふれていません。

SH1 の乗算器は 16bit 演算のみが対象でしたが、これはゲームを作るうえでは精度不足です。そこで32bit の対応を依頼したのでしょう。SH2 には 32bit乗算器が付いています。

それに対し、除算器は SH1 の時から 32bit に対応していました。ただし…除算器があるにも関わらず、「除算命令」は存在しません。

SH1/2 では、命令の１クロック実行を重視して、除算命令は「筆算の１桁分」を行う機能なのです。16bit除算なら16回、32bit除算なら32回繰り返すことで、やっと結果が求まります。

１桁の計算の前に、計算する数をセットする命令を実行する必要があります。また、32bit 演算の場合、結果はキャリーフラグに現れるため、ローテート命令で結果を入れたいレジスタに取り出します。

つまり、16bit 除算は17クロック、32bit 除算は 65クロックで完了しました。

これに対し、R3000 は 32bit 除算しかもちませんが、乗算と同じように計算中に他の命令を実行できます。なので速度は単純に比較できませんが、除算は 35クロックでした。

３Ｄゲームでジオメトリ演算を行う場合、16bit の除算で十分な精度でしたから、これも R3000 よりも SH2 の方が速いことになります。

つまり、SH2 は比較した CPU の中で、性能が一番高く、プログラムサイズが小さく、そして安かったのです。

まとめ

日立のストーリーでは、担当者が強い決意でセガに臨んだ時、「あぁ、いいですよ」の一言で決まって拍子抜けした、と言う話が出ていました。

V810 と R3000 が候補になっていたときのように、それぞれに一長一短がある状態では、自社の CPU の利点をアピールする必要があったでしょう。担当者の「強い決意」とは、そのようなアピールを粘り強く行う、と言う意味だったと思います。

しかし、セガ側は「あぁ、いいですよ」とあっさり採用を伝えます。つまり、他の候補など考えられないほど、SH2 の性能は圧倒的だったのでしょう。先に数字を挙げて検討の過程を追体験してみたわけですが、これで V810 や R3000 を選ぶことは無いように思います。

この時点では「CPU１つ」の性能で選ばれていることも注意してください。V810 や R3000 を選んでいたらツイン CPU もあり得なかったでしょうね。（SH1 にもマルチプロセッサ機能はないのですが）

SH2 なら２台搭載することで性能を倍増できる、というのは、セガの思惑とは全く別のところで進んでいた機能です。それを、後にセガが使用しただけ。これがなかったら性能的にプレステにボロ負けしていたわけで、運の良い偶然だったように思います。

以上、すべては「おそらくこうだったのではないか」という想像にすぎません。

実は、サターンの記事を書こうと調査中、「SH2は当時知られたていなかったので、解析されないと思って選ばれた」という説を見つけました。

それ、ファミコンが 6502 採用した理由だから！

ファミコンの場合、発売時は CPU を明らかにしていませんでした。しかし、サターンは SH2と最初から明かしています。CPU がわかってしまえば、メーカーに問い合わせて命令表は入手可能ですし、そうなれば解析も簡単。「解析されないと思って」選ばれた、という線はまずない、と感じました。

じゃぁ、SH2 が選ばれた理由は何なのか？　他の CPU は何故選ばれなかったのか？　それを知りたかったのが今回の記事をまとめたきっかけでした。

そして、やはり SH2 がベストな選択であった、と言うことがわかりました。

セガサターンではなく、SH シリーズのその後の話です。

この頃発売された世界初のデジタルカメラ QV-10 は、CPU に SH1 、内部ソフトに TRON を搭載しており、大ヒットします。

もちろんセガサターンも大ヒット。…いや、プレステに負けたとかそういう話じゃなくて、SH2 を作っていた日立としては、想像を超える売り上げになったわけですよ。

SH2 は大量生産されたことで値段が下がり、他の組込み分野でも使われ始めます。だって、上に見たように組込み用途に限れば当時最高の CPU なんですから。SH が世界中から注目されていた時代でした。

ところで、ARM は現在 16/32/64bit 混在だけど…という話を途中で出しましたが、SHの売り上げが急に伸びたことで、組込み分野に強かった ARM は慌て、SH と同じ命令長の「16bit 命令モード」を付加します。これが 16/32bit 混在になったわけ。64bit は性能向上を狙ってさらに後に追加されたもの。

モードと書きましたが、１命令ごとに長さが変わる i486 や MC68040 とは違い、モード切替方式です。16bit モードでは全命令が 16bit になるので、i486 のような「無理」はしなくてもいい。RISC の単純さはちゃんと残っているのです。

16bit 命令が Thumb と呼ばれるのもいいですね。「サムネイル」のサムで、小さい意味を持っていますし、ARM (腕)に対して Thumb (親指)でもあります。

で、ARM は Thumb 命令を追加して組込み分野に反撃し、一時期 SH が築き上げた牙城を一気に崩します。現在ではまた ARM が幅を利かせていますね。

組込み分野は、「過去の資産」をそれほど気にしなくてよい世界なので、あっという間に勢力図が塗り替わることがあります。最近は Intel が Quark (Atom よりも小さくて低消費電力) を発表し、ARM の牙城を崩しにかかっています。

SH をはじめとする、日本勢の巻き返しはあるのでしょうか？　頑張ってほしいものです。