R5000

R5000はMIPS IV命令めいれいセットアーキテクチャ (ISA) を実装じっそうしたマイクロプロセッサの一ひとつで、Quantum Effect Devices (QED) が設計せっけいした。ミップス・テクノロジーズ (MTI) が開発かいはつ資金しきんを出だし、権利けんりもMTIが保持ほじした。MTIからライセンス提供ていきょうを受うけたのは、IDT、日本電気にほんでんき (NEC)、日本鋼管にほんこうかん (NKK)、東芝とうしばである。QEDがそれまで設計せっけいしたR4600やR4700の上位じょういに位置いちするハイエンドの組くみ込こみ用ようマイクロプロセッサとして企画きかくされた。NECはVR5000、NKKはNR5000、東芝とうしばはTX5000として販売はんばい。PMC-Sierra がQEDを買収ばいしゅうした際さい、R5000の権利けんりも同社どうしゃが同時どうじに購入こうにゅうした。PMC-Sierraは今いまもMIPSアーキテクチャのマイクロプロセッサを組くみ込こみシステム向むけに販売はんばいしている。

採用さいよう例れい

R5000は、シリコングラフィックス (SGI)、NEC、Siemens-Nixdorf といった企業きぎょうがワークステーションやサーバに採用さいようした。SGIは O2 というローエンドのワークステーションに採用さいようしている。ルーターやプリンターなどの組くみ込こみシステムにも採用さいようされた。Cobalt Qube や Cobalt RaQ は当初とうしょ、R5000の派生はせい品ひんであるRM5230とRM5231を採用さいようしていた。Qube 2700 ではRM5230マイクロプロセッサ、Qube 2 ではRM5231が採用さいようされている。RaQ は後のちに AMD K6-2、さらには Intel Pentium III を採用さいようした。

歴史れきし

もともとのロードマップでは1996年ねん前半ぜんはんに200MHz版ばん、1996年ねん後半こうはんに250MHz版ばんを出荷しゅっかし、1997年ねんには改良かいりょうを施ほどこしたR5000Aを出荷しゅっかする予定よていだった。R5000は1996年ねん1月がつに発表はっぴょうされたが、200MHz動作どうさを達成たっせいできず、180MHzとされた。ローエンドのワークステーション向むけとしては、当時とうじ他ほかにIBMとモトローラの PowerPC 604、HPのPA-7300LC、インテルの Pentium Pro が競合きょうごうしていた。

詳細しょうさい

2命令めいれいを同時どうじに実行じっこうできるスーパースケーラ設計せっけいだが、アウト・オブ・オーダー実行じっこうはできない。整数せいすう演算えんざん命令めいれい1個いっこと浮動ふどう小数点しょうすうてん演算えんざん命令めいれい1個いっこを同時どうじに発行はっこうできる。整数せいすう演算えんざん命令めいれい用ようの単純たんじゅんな命令めいれいパイプラインが1つと浮動ふどう小数点しょうすうてん演算えんざん用ようパイプラインが1つしかなく、トランジスタ数すうを削減さくげんしてチップサイズとコストを低減ていげんしていた。動的どうてきな分岐ぶんき予測よそく機能きのうもコスト低減ていげんのため実装じっそうしていない。代かわりにコンパイラが静的せいてきに分岐ぶんきが起おきそうかどうかを判断はんだんし、 MIPS II ISA で導入どうにゅうされた branch likely 命令めいれいを適宜てきぎ使用しようするものとした。

QEDの設計せっけいは大おおきな一いち次じキャッシュと単純たんじゅんなCPU設計せっけいを特徴とくちょうとし、R5000にも大おおきな一いち次じキャッシュを搭載とうさいしている。R5000の一いち次じキャッシュは命令めいれい用ようとデータ用ようそれぞれに32KBである。2ウェイセットアソシアティブ方式ほうしきで、ラインサイズは32バイト、仮想かそうインデックス・物理ぶつりタグ方式ほうしきである。命令めいれいは一いち次じキャッシュにロードされる際さいに一部いちぶデコードされ、命令めいれい毎ごとに4ビットのデコード情報じょうほうがキャッシュに付随ふずいして格納かくのうされる。この4ビットは命令めいれいが前後ぜんごの命令めいれいと同時どうじに発行はっこう可能かのうか、どの演算えんざんユニットを使用しようするかを表あらわしている。スーパースケーラの命令めいれい発行はっこう機構きこうがこの情報じょうほうを使用しようする。

整数せいすう演算えんざんユニットは大だい部分ぶぶんの命令めいれいを1サイクルのレイテンシとスループットで実行じっこうできるが、乗算じょうざんと除算じょざんだけは例外れいがいである。32ビットの乗算じょうざんはレイテンシが5サイクルでスループットが4サイクルとなっている。64ビットの乗算じょうざんはレイテンシがさらに4サイクルかかり（合計ごうけい9サイクル）、スループットも半分はんぶん（8サイクル）となる。除算じょざんは32ビット整数せいすうでは36サイクルのレイテンシとスループットで、64ビット整数せいすうではそれらが68サイクルとなる。

FPUは32ビット単精度たんせいどを高速こうそく化かした設計せっけいである。これはコストを抑おさえつつ、3次元じげんグラフィックスで多用たようされる単精度たんせいど浮動ふどう小数点しょうすうてん演算えんざん性能せいのうを高たかくしてほしいというSGIの要望ようぼうに応こたえたものだった。完全かんぜんにパイプライン化かされており、R4700より遥はるかに高性能こうせいのうになっている。MIPS IV ISA の積せき和わ演算えんざん命令めいれいを実装じっそうしている。単精度たんせいどの加算かさん・乗算じょうざん・積せき和わ演算えんざんはレイテンシが4サイクルでスループットは1サイクルとなっている。単精度たんせいどの除算じょざんはレイテンシが21サイクルでスループットが19サイクル、平方根へいほうこんはレイテンシが26サイクルでスループットが38サイクルである。除算じょざんと平方根へいほうこんはパイプライン化かされていない。倍精度ばいせいどの演算えんざん命令めいれいはレイテンシが極端きょくたんに大おおきく、加算かさん以外いがいのスループットも小ちいさい（加算かさんだけは単精度たんせいどと同おなじレイテンシとスループットである）。倍精度ばいせいどの乗算じょうざんと積せき和わ演算えんざんはレイテンシが5サイクルでスループットが2サイクルである。除算じょざんはレイテンシが36サイクルでスループットが34サイクル、平方根へいほうこんはレイテンシが68サイクルでスループットが66サイクルとなっている。

R5000は二に次じキャッシュの制御せいぎょ部ぶを内蔵ないぞうしており、512KB、1KB、2MB の二に次じキャッシュを制御せいぎょ可能かのう。二に次じキャッシュには専用せんようの同期どうきSRAM (SSRAM) を使用しようする。システムバスはR4000などと同様どうようのSysADバスを採用さいようしている。アドレスバスとデータバスを多重たじゅう化かしたバスで、動作どうさ周波数しゅうはすうは最大さいだい100MHzである。当初とうしょR5000はマルチプロセッシングをサポートしていなかったが、将来しょうらいのサポートに備そなえてパッケージではそのためのピンが予約よやくされていた。

QEDはファブレス企業きぎょうなので、自前じまえでは製造せいぞうしなかった。R5000を製造せいぞうしたのは、IDT、NEC、NKK である。3社しゃはいずれも0.35μみゅーmのCMOSプロセスで製造せいぞうしたが、それぞれのプロセスには差異さいがある。IDTは2層そうのポリシリコンと3層そうのアルミニウム配線はいせんを採用さいよう。2層そうポリシリコンを使つかうことで、4トランジスタのSRAMセルを実装じっそうでき、トランジスタ数すうを360万まん個こ、チップサイズを8.7mm×9.7mm (84.39 mm²) とした。NECとNKKは1層そうのポリシリコンと3層そうのアルミニウム配線はいせんを採用さいよう。ポリシリコンが1層そうであるため、SRAMセルに6個このトランジスタを必要ひつようとし、トランジスタ数すうは500万まん個こ、チップサイズも約やく 87 mm² と大おおきくなった。チップサイズを80から90mm²にすることはMTIからの要請ようせいだった。キャッシュを除のぞいたトランジスタ数すうはどちらも80万まん個こほどで、残のこりは全すべてキャッシュ用ようである。パッケージは272ピンのBGA (ball grid array) と272ピンのPGA (pin grid array) がある。従来じゅうらいのMIPSアーキテクチャのマイクロプロセッサ群ぐんとはピン互換ごかん性せいはない。

派生はせい品ひん

QED RM5230

1990年代ねんだい後半こうはん、QEDはMTIからMIPSアーキテクチャのマイクロプロセッサを製造せいぞう・販売はんばいするライセンスを取得しゅとくし、社名しゃめいを Quantum Effect Design から Quantum Effect Devices に変更へんこうした。最初さいしょの製品せいひんは RM52xx ファミリーで、当初とうしょRM5230とRM5260の2モデルを発売はつばいした。発表はっぴょうは1997年ねん3月がつ24日にちのことである。RM5230は当初とうしょ100MHzと133MHz版ばん、RM5260は133MHzと150MHz版ばんがあった。1997年ねん9月がつ29日にち、150MHzと175MHzのRM5230、175MHzと200MHzのRM5260が追加ついかされた。

RM5230とRM5260はどちらもR5000を元もとにしており、一いち次じキャッシュの大おおきさ（32KBから16KBに削減さくげん）とシステムインタフェースの幅はば（RM5230は32ビット67MHz、RM5260は64ビット75MHz）が異ことなり、デジタル信号しんごう処理しょり向むけの積せき和わ演算えんざん命令めいれいと3オペランド乗算じょうざん命令めいれいが追加ついかされている。製造せいぞうを請うけ負おったのはTSMCで、0.35μみゅーmプロセスで製造せいぞうした。パッケージングは Amkor Technology が担当たんとう。RM5230は128ピン、RM5260は208ピンである。

RM52xxファミリーには、1997年ねん9月がつ29日にちの Embedded Systems Conference でRM5270の追加ついかが発表はっぴょうされた。ハイエンドの組くみ込こみ用途ようとをターゲットとし、150MHz版ばんと200MHz版ばんがある。最大さいだい2MBの二に次じキャッシュをサポートできるキャッシュ制御せいぎょ部ぶがチップに内蔵ないぞうされている。SysADバスも64ビット幅はばで100MHzで駆動くどう可能かのうである。304ピンのSuper-BGAでパッケージされ、RM7000とピン互換ごかん性せいがあり、RM7000からの移行いこうを意図いとしている。

1998年ねん7月がつ20日はつか、RM52x1ファミリーが発表はっぴょうされた。RM5231、RM5261、RM5271 がある。これらはRM52x0ファミリーからの派生はせいであり、0.25μみゅーmプロセスを使つかっている。RM5231は当初とうしょ150MHz、200MHz、250MHz版ばんがあり、RM5261とRM5271には250MHz版ばんと266MHz版ばんがあった。1999年ねん7月がつ6日にち、300MHz版ばんRM5271が追加ついかされた（1万まん個こ単位たんいで140ドル）。RM52x1ファミリーは一いち次じキャッシュが32KBとなり、SysADバスも最高さいこう125MHzで駆動くどう可能かのうとなっている。

PMC-Sierra がQEDを買収ばいしゅうした後のちも、RM52xxファミリーは同社どうしゃの製品せいひんとして販売はんばいされ続つづけた。PMCはさらにRM5231AとRM5261Aを2001年ねん4月がつ4日にちに発表はっぴょうした。これらはTSMCで0.18μみゅーmプロセスで製造せいぞうされ、さらに動作どうさ周波数しゅうはすうが高たかくなり、消費しょうひ電力でんりょくが低ひくくなっている。RM5231Aは250MHzから350MHz、RM5261Aは250MHzから400MHzで動作どうさする。

参考さんこう文献ぶんけん

• Computergram (8 January 1996). "MIPS Ready With R5000 Successor To The 4600/4700". Computer Business Review.
• Gwennap, Linley (22 January 1996). "R5000 Improves FP for MIPS Midrange". Microprocessor Report, 10 (1).
• Halfhill, Tom R. (April 1996). "R5000 Cuts 3-D Cost". Byte.
• Halfhill, Tom R. (May 1996). "Mips R5000: Fast, Affordable 3-D". Byte, 161–162.
• MIPS Technologies, Inc. MIPS R5000 Microprocessor Technical Backgrounder.
• PMC-Sierra, Inc. (4 April 2001). "PMC-Sierra Ships Third Generation R5200A MIPS Microprocessors". Press release.
• Quantum Effect Devices (24 March 1997). "QED Introduces RM52xx Microprocessor Family". Press release.
• Quantum Effect Devices (29 September 1997). "QED Introduces RM5270 Superscalar 64-bit Microprocessor". Press release.
• Quantum Effect Devices (20 July 1998). "QED Introduces The RM52x1 Microprocessor Family". Press release.
• Quantum Effect Devices (6 July 1999). "QED's RM5271 Available Immediately at 300MHz". Press release.