コンピュータアーキテクチャの話 (185) キャッシュコヒーレンシ

　MSIプロトコル

　ライトバックキャッシュの場合、あるプロセサがキャッシュミスでメインメモリをアクセスした時に、そのアドレスの最新のデータはメインメモリには無く、最後に書き込みを行った別のプロセサのキャッシュに存在するという場合がある。

　その場合は、キャッシュミスをしたプロセサがメインメモリからデータを読み込むと古いデータを読んでしまい矛盾が生じることになる。したがって、キャッシュミスが発生したプロセサはアクセスするメモリアドレスを他のすべてのプロセサにブロードキャスト(放送)し、そのアドレスのキャッシュラインを持っているかどうかを確認する(この手順をSnoop:スヌープという)必要がある。

　また、マルチプロセサのコヒーレンシ維持のために、キャッシュラインの状態としてSharedという状態を追加する。Shared状態は、キャッシュの内容がメインメモリから読まれたままで変更されていないことを示す。つまり、先ず、メインメモリから読み込まれたキャッシュラインは、Shared状態となり、これを書き換えると、Modified状態になる。この方法では、キャッシュラインにはModified、SharedとInvalidの3つの状態があるので、これらの頭文字を並べてMSIプロトコルと呼ばれる。なお、プロトコルは外交儀礼という意味であるが、外交的な手続きから転じて、コンピュータなどのデータのやり取り手続きの規則の意味で使われている。

　MSIプロトコルでは、Modified状態のキャッシュラインは、1つのプロセサのキャッシュの中にしか存在させない。ただし、これは1つのキャッシュラインアドレスに関してであり、アドレスAのModifiedのキャッシュラインがプロセサ0にある場合は、アドレスAのInvalid以外のキャッシュラインは他のプロセサのキャッシュには存在しないという意味であり、異なるアドレスBのModifiedのキャッシュラインが別のプロセサ1に存在することは差し支えない。

　図9.5に示すように、MSIプロトコルでは、キャッシュラインにデータを書き込む場合は、(1)でそのキャッシュラインのデータをメモリから読み込み(すでにキャッシュに入っている場合は読み込みは不要)、次に、(2)で書き込みを行うキャッシュラインアドレスを他のプロセサにブロードキャストして、Shared状態のキャッシュラインを持っているプロセサにそのキャッシュラインの無効化を依頼する。

　そして、(3)で他のプロセサから無効化が完了した(あるいは、そのキャッシュラインを持っていないので問題なし)という応答を受け取ってから、(4)で自分のキャッシュにデータを書き込んでModified状態とする。このように書き込みの前に、他のプロセサのキャッシュラインの状態をInvalidに変更するのでModified状態のキャッシュラインを持つプロセサは1つになる。

　図9.5 MSIプロトコルでのデータの書き込み手順

　そして、ロード命令でキャッシュミスした場合は、読み込むアドレスをブロードキャストし、他のプロセサに最新の書き換えられた状態のキャッシュラインが存在しないかどうかを確認する。そして、他のプロセサにModified状態のキャッシュラインが存在しない場合は、メモリからキャッシュにデータを読み込む。この場合、読み込んだキャッシュラインの内容はメモリの内容と同じであるので、Shared状態とする。

　一方、Modified状態のキャッシュラインが他のプロセサに存在する場合は、メモリからデータを読んでしまうと古いデータを読むことになってしまう。このため、図9.6に示すようにMSIプロトコルでは、スヌープに続いて(2)でModifiedのキャッシュラインを持つプロセサがそのキャッシュラインの内容をメモリに書きだし、続いて、ロード命令でキャッシュミスを起こしたプロセサにメモリからの読み込みを指示して、(3)で読み込みを行わせる。このようにすると、キャッシュミスを起こしたプロセサは正しい最新の値を読むことができる。

　この場合は、メモリに書きだしたキャッシュラインはメモリと内容が一致するので、その状態をModifiedからSharedに変更し、また、ロード命令に対してメモリから最新のデータを読んだプロセサのキャッシュラインもShared状態となり、同じキャッシュラインアドレスのShared状態のキャッシュラインが複数のプロセサに存在する状態になる。

　図9.6 キャッシュミスに対してModifiedのキャッシュラインからメモリ経由でデータを転送

　なお、MSIプロトコルの場合、Modifiedのキャッシュラインに書き込みを行う場合はそのアドレスのキャッシュラインは他のプロセサのキャッシュには存在しないことが保証されているので、この場合は、他のプロセサのキャッシュへのスヌープを省略して書き込みを行うことができる。

STMicro、生活家電向けモータ制御用パワーモジュールを発表

　

　STMicroelectronicsは、生活家電やその他の低電力モータ駆動アプリケーション向けにパワーモジュール(Intelligent Power Modules:IPM)4製品を発表した。

　IPMの活用イメージ図

　4製品の型番は「STGIPS10K60A」「STGIPS14K60」「STGIPL14K60」「STGIPS20K60」となっており、制御機能、IGBTおよび付加価値機能を統合したものとなっている。

　いずれもフリー・ホイーリング・ダイオード付きの3個のIGBTハーフ・ブリッジ(600V耐圧)、独自の制御IC、ブートストラップ・ダイオード、および温度制御と過電流および短絡障害から保護するためのコンパレータを含む保護機能を内蔵している。

　STGIPL14K60は、オペアンプを内蔵しているため、通常はモータ速度制御(フィールド指向制御)に必要な外付けの電流検出部品が不要となる。また、過電流によるIGBTの損傷を防ぐデッドタイム挿入機能を搭載しているだけでなく、STGIPS14K60とSTGIPS20K60と同様にスマート遮断機能も搭載している。

　さらに、効率良く放熱することで電力密度を最大化すると共に、安全使用のための高い電気的絶縁性を提供する独自の「Direct-Bond Copper(DBC)」パッケージ技術を採用。モールド型のSDIPパッケージ(25/38ピン)は、ヒートシンクに効果的に接続するための露出したサーマル・パッドを有しており、低熱抵抗(2.4℃/W)を実現している。

　なお、4製品ともにすでに量産を開始しており、STGIPS10K60Aの単価は2万5,000個購入時で約5.60ドルとしている。

TI、最高96%の電力変換効率を実現した4Aスイッチ昇降圧コンバータを発表

　

　Texas Instruments(TI)は、最高96%の電力変換効率を実現した4Aスイッチ内蔵の昇降圧コンバータ「TPS63020」を発表した。

　4Aスイッチ内蔵の昇降圧コンバータ「TPS63020」

　同製品は、入力電圧範囲1.8V～5.5Vでありリチウム電池を2.5V以下の端子電圧まで使用でき、代表的な使用条件において、出力電圧3.3Vの降圧モードで3A、出力電圧3.3Vの昇圧モードで2.0Aを超える出力電流を提供するほか、軽負荷時に高い電力変換効率を実現する。

　単セルのリチウム・イオン電池または2、3セルのアルカリ/NiCd/NiMH電池に対応し、2.4MHzと高いスイッチング周波数、1個のインダクタで動作する。パッケージは3mm×4mm×1mmの小型SONパッケージを採用しており、100mm2以下の実装面積でDC/DCコンバータ回路を構成することが可能となっている。

　なお、同製品ならびに出力電圧3.3V固定の「TPS63021」の2製品がすでに量産出荷を開始しており、参考価格は1,000個受注時で2.50ドルとなっている。

コンピュータアーキテクチャの話 (184) キャッシュコヒーレンシ

　キャッシュコヒーレンシ

　マルチプロセサは、キャッシュが無い場合は共通メモリアクセスのぶつかり合いを解消してやれば良いのであるが、キャッシュを持つようになると、途端に話が面倒になる。

　プログラムの命令や定数データなどの書き換えが起こらないデータは複数のプロセサのキャッシュに同じデータがキャッシュされても矛盾は生じない。しかし、図9.3のように、メインメモリの同じアドレスのデータ値がコア0とコア2のキャッシュに入っている状態で、コア0がストアを行い、キャッシュとメインメモリを書き換える(赤の状態)と、コア2のキャシュは古い状態(オレンジ)で残ってしまい、同一アドレスのデータであるのに、異なる値となって矛盾が生じてしまう。

　図9.3 マルチプロセサのキャッシュのコヒーレンシ

　コア0がある処理を行いその結果をメモリに書き込み、コア2がその結果を使って次の処理を行うというようなケースがあるが、このような協調動作を行う場合は、コア0の処理結果が、自分のキャッシュだけでは無くコア2のキャッシュの内容に反映されなければならないというように、一般に各コアの処理結果も自分のキャッシュだけで無く、他のコアのキャッシュにも正しく反映されなければならない。マルチプロセサの場合、このように複数のプロセサのキャッシュの状態が矛盾しないように制御することが必要であり、これをキャッシュコヒーレンシ(Cache Coherency)を取るという。

　マルチプロセサの問題に行く前に、単一プロセサでも必要となるキャッシュラインの状態を復習しておこう。まず、キャッシュラインの状態として、初期化直後で何も入っていない状態や無効化された状態で内容が意味を持たないInvalid状態を示すビットが必要である。そして、キャッシュはInvalid状態のラインに対しては、アドレスがマッチしてもアクセスがヒットしないように制御する。

　キャッシュへの書き込みと同時にメインメモリにも書き込みを行うストアスルー(Store Through)方式のキャシュの場合は、このInvalidだけがあれば良いが、ストアはキャッシュに溜め込むライトバック(Write Back)方式のキャッシュの場合は、もう少し、話が複雑になる。ライトバック方式のキャッシュでは、ストアはキャッシュラインにだけに書き込み、メインメモリには書き込まれない。そして、別のアドレスのキャッシュラインのアクセスに伴い、そのキャッシュラインを入れる場所を空けるために、そのラインがキャッシュから追い出される時点でメモリに書き戻しを行う。

　ライトバック方式のキャッシュの場合、追い出されるキャッシュラインを常にメインメモリに書き戻してやっても良いのであるが、そのラインへの書き込みが無く、メインメモリから読んだままであれば、再度メモリに同じデータを書き込むのは無駄である。このため、キャッシュラインにはModifiedという属性ビットをつけ、メモリから読み込んだ状態ではリセットし、プロセサからそのラインに書き込みを行うと、そのビットをセットしてModified状態とする。こうしておけば、ラインの追い出し時に、そのラインの属性がModified状態であればメインメモリに書き戻し、Modifiedでなければメインメモリから読まれたままで変更の無いデータであるので、そのまま、ラインのデータを捨ててしまえばよいので、メインメモリへのアクセス回数を減らすことができる。

　キャッシュがストアスルー方式で、コモンバス方式のマルチプロセサで一時には1つのプロセサしかメモリにアクセス出来ない構造になっている場合は、図9.4の破線のように、各プロセサがコモンバス上の他のプロセサからの書き込みをモニタして、書き込みデータの取り込み(Write Broadcast)、あるいはそのアドレスを含むキャッシュラインを保持している場合には無効化(Write Invalidate)を行えば、コヒーレンシは保たれる。

　図9.4 コモンバスをモニタしてコヒーレンシを確保

　しかし、ライトバック方式の場合は、プロセサ0がアドレスAのデータを書き換えても、書き込みが行われるのは自分のキャッシュだけで、コモンバスを使ってメインメモリへの書き込みは行われないので、他のプロセサには書き込みが行われたことが伝達されない。このため、他のプロセサのキャシュには書き換え前のデータが残ってしまいコヒーレンシを保てない。

シャープ、4つの独自技術を活用した高輝度3D液晶ディスプレイを開発

　

　シャープは4月12日、従来の大型3D液晶ディスプレイに比べ、高色表現力、高コントラスト、高輝度などを実現した3D液晶ディスプレイ(3D-LCD)を開発したことを発表した。

　シャープ 代表取締役兼副社長執行役員 AVシステム事業統括の松本雅史氏

　3Dテレビ市場ついて同社は、「2011年以降に本格立ち上がりを見込んでおり、調査会社の予測では2012年には1,000万台市場へと成長する」(シャープ 代表取締役兼副社長執行役員 AVシステム事業統括の松本雅史氏)との見方を示し、「液晶のシャープが満を持して大型3D-LCDを投入する」(同)ことを宣言した。

　従来、3D-LCDには2DのLCDに比べ、暗くて見にくいという欠点があった。シャープでは、「映像媒体の多様化に伴い、高画質化が進むことは確実で、それに3Dの臨場感を足し合わせる必要があることを考えると、2Dと同等の高画質化が3Dにも要求される」(同)との考えの下、自社の保有する独自液晶技術を組み合わせることで、3D-LCDにおける高解像度、高色表現力、高コントラスト、高輝度化などを実現したという。

　 シャープ 常務執行役員 研究開発本部長の水嶋繁光氏

　同社では2010年4月2日に中小型3D-LCD技術を発表しているが、そちらは個人で3D画像を楽しむことを前提にした視差バリア方式を採用。今回の大型3D-LCDでは、「視差バリア方式では3Dとして見える角度などに限度があり、大勢で見るのには適さない」(同社常務執行役員 研究開発本部長の水嶋繁光氏)とのことで、液晶シャッターメガネを用いることで右眼用映像と左眼用映像を見分ける「アクティブシャッターメガネ方式」を採用したという。

　ただし、前述のとおり、従来のアクティブシャッター方式を用いた3D-LCDでは、明るさの不足やクロストークの発生、映像の鮮やかさの低下などの問題があった。「我々の技術ですべての問題が解決されたか、というとまだまだユーザーからはさらに高い要求が来るだろうが、現状では世界最高峰の3D-LCD技術ができたと確信している」(同)と自信を覗かせており、これらの問題を高次元で解決したことを強調する。

　3D表示方式各種と実際に展示された3D-LCD(60V型)とメガネ

　特に視聴の最大のポイントとなる「明るさ」だが、従来の3D-LCDでは2D表示の輝度を100%とした場合、3D-LCDのパネル側で発光期間や応答速度への対策により輝度が減少するのに加え、メガネ側での透過率の問題や左右の映像の時分割、反射などのロスにより眼に届く輝度は10%程度まで低減するという。また、自発光デバイスであるPDPもメガネを利用する場合は、メガネ側のロスなどの問題は同様であり、やはり眼に届く輝度は10%程度まで低減されることとなる。

　同社では、メガネをかけたときにどの程度の輝度があれば周囲に負けない程度の明るさとなるかという考えに基づき、偏光板の付いたメガネをかけた場合の周囲の明るさを算出、計算方式としては”偏光板透過率(40%)”×”左右映像時分割(50%)”×”メガネ反射などのロス(90%)”とし、結果18%にまで下がるというということで、メガネがない2D表示の18%以上の輝度(500cd/m2の2D-LCDの場合は、×18%で90cd/m2)が3D表示におけるメガネを通した明るさとして感じられれば問題ないとの結果を出した。

　2Dに比べて3Dはさまざまな要因から輝度が低下する。これに対して同社ではどの程度の輝度が眼に届けば2Dの時と同じ程度の明るさを得られるかを算出した

　また、逆側の眼の映像が見えることで2重像(クロストーク)が発生してしまう問題については、バックライトの応答性能を考察する必要があるとし、明るさを犠牲にしない低クロストーク化に向けた液晶の応答性能を一般的な全面点灯方式、上下2分割スキャン点灯、バックライトの点灯範囲を細かく分割した多分割スキャン点灯の3方式でそれぞれ算出。全面点灯では1ms以下、上下2分割では2ms、多分割では4ms以下を実現すれば問題ないという結果を導き出した。なお、自発光であり応答速度が早いとされるPDPについては、「発光応答(ON)は数μsと非常に高速ながら、OFF時は6ms程度、学会レベルでも3msで、残光を残すとクロストークが発生するため、消えるまで待ってから発光をすれば輝度が低下するトレードオフの関係にある」(同)ことを指摘、輝度を維持しながら高速応答を実現するのには適さないとした。

　バックライト方式が変わることで応答速度が変化、それに伴い、クロストークの発生を抑えるための応答性能の速度が変わってくる

動画

各バックライト方式によるクロストーク発生のデモ(wmv形式 2.84MB 9秒)実際の上下2分割スキャニングBLとサイドマウントスキャニングLED-BLの比較デモ(wmv形式 2.82MB 9秒)

　さらに、「映像の鮮やかさが悪ければ奥行き感や鮮鋭感が悪くなる」(同)ということで、ディスプレイの描画性能の基礎能力向上が求められるとする。

　こうした課題に対応するため、既存の「UV2A技術」のほか、RGBにYを加えて色再現性を向上させることが可能となった「4原色技術」、開口率を向上させ高輝度な3D表現を実現する「FRED(Frame Rate Enhanced Driving)技術」、「サイドマウントスキャニングLEDバックライト(BL)技術」の4技術を導入。この4技術を活用することにより輝度は従来比で1.8倍となるメガネを通した後で100cd/m2以上を実現した。

　4つの独自技術により高輝度、低クロストーク、3D画像の鮮鋭化を実現した

　加えてUV2A技術による2倍速応答およびサイドマウントスキャニングLED-BLによるモジュールの薄型化と低クロストーク化の実現。およびUV2Aによる従来比1.6倍の5000:1のコントラストと、4原色による色再現範囲同1.1倍を組み合わせた鮮鋭な3D画像の実現が施された。

　UV2A技術による高開口率化、応答速度の向上、高コントラスト比を実現

　同社ではUV2Aと4原色を組み合わせるにあたり、「画素の設計方式を見直し、それぞれの色に応じた最適な面積を算出、透過率の20%向上と色再現性1.1倍以上を達成した」(同)とする。

　RGBにYを加えた4原色とすることで、イエローの領域はもとよりシアン(ブルーグリーン)領域の色再現性を向上、全体的に高い再現性を実現した

　またFRED技術は、従来の4倍速(240Hz)駆動では、120Hzを2本駆動させることで240Hz化していたが、信号線が2本になることから、表示部が減るほか、ドライバ数が倍になるという問題を解決した技術で、詳細は明らかにしていないが、TFTへの信号入力方法を従来とは異なる方法にすることで、従来の8ビットドライバICやTFTのまま、1本の信号線で240Hz駆動を実現でき、開口率も10%向上させることが可能となるとしている。

　1本の信号配線で240Hz駆動を実現できるFRED技術によりドライバICの数の削減と開口率の向上、低消費電力化などが実現された

　なお、同社では同3D-LCDを搭載した液晶テレビについては、「2010年5月に改めて発表を行い、日本を始め世界各地域に向けた展開をしていく計画」(松本氏)としており、明るいということを差別化戦略として打ち出していくことで、「3D液晶時代を切り開くのはシャープ」(同)という認識を広く社会にアピールしていくことを強調している。

　 今回の技術を活用して製造された60V型のパネル。メガネ越しの輝度は100cd/m2でクロストーク率は2.1%、メガネ越しコントラストは5500:1となっている

　会場では先日発表された視差バリア方式を活用した10.6型のe-Books向け3D-LCDのデモ展示も行われていた