先進計算機構成論

東京大学大学院 情報理工学系研究科 創造情報学専攻で行っている「先進計算機構成論」の講義の資料です．

• パワーポイントと PDF でファイルを置いていますが，アニメーションを結構使っているためパワーポイントで正しく見れる方はそちらの方がおすすめです．
• パワーポイントで表示がずれる方は PDF 版を参照してください．
• 質問や間違いの指摘などは，github の issue に投げていただければと思います．

講義資料

2026年度版

0. イントロ （PDF版）
1. コンピュータの基本 （PDF版）
   • コンピュータの基本
     • 命令やプログラム，機械語とはなにか
     • 単純な CPU の構造と動作
   • C 言語で書かれたプログラムの実行を考える
     • C 言語と機械語の対応
   • 命令セットの例：RISC-V
2. 回路と遅延，消費電力 （PDF版）
   • 論理回路の復習
   • 回路の消費電力
   • 回路の遅延
3. 回路の消費電力と命令パイプライン （PDF版）
   • 命令パイプライン
4. 命令パイプラインとハザード （PDF版）
   • 命令パイプライン
   • 各種のハザードと解消方法
     • 構造ハザード
     • 非構造ハザード
5. ハザードの続き，命令パイプラインと性能，分岐予測 （PDF版）
   • 非構造ハザード
   • 命令パイプラインと性能
   • 分岐予測の基本
6. 分岐予測 （PDF版）
   • 高度な分岐予測器
     • パーセプトロン予測器と TAGE 予測器
   • 間接分岐予測
7. メモリについて （PDF版）
   • メモリの基本
   • SRAM や DRAM の構造
8. 命令の並列実行 （PDF版）
   • 命令の並列実行
   • データ依存
   • 静的命令スケジューリングと VLIW
9. 動的命令スケジューリング （PDF版）
   • in-order 発行/in-order 完了
   • in-order 発行/out-of-order 完了
   • out-of-order 発行/out-of-order 完了
10. 動的命令スケジューリングの続き （PDF版）
    • 例外への対処，ロード/ストアのスケジューリング
11. 保護機構とアタック （PDF版）
    • 保護機構
      • 仮想メモリ
      • 特権モード
    • 脆弱性とアタック
      • バッファ・オーバーフロー
      • Return Oriented Programming
      • マイクロアーキテクチャ面の脆弱性

• GPU （PDF版）
  • エネルギー効率の定義
  • GPU の基本的な構造とプログラミングモデル
  • アクセラレータについて

2024年度版

• キャッシュ （PDF版）
  • 基本原理
  • 容量と性能の関係
  • 詳細な構造
  • 行列積での性能の変化の例

付録

他の講義や講演で使用した資料で，関連するものを以下に含めています．

CPU

• 高性能CPUの研究・開発動向（2023） （PDF版）
  • プログラムの複雑化とシングルスレッド性能の向上
  • 「現代の」Out-of-order スーパスカラ・プロセッサの構造
  • 最近の研究
• RISC-V Zicond 拡張について（2023） （PDF版）
  • 背景となる技術
  • なぜ Zicond 拡張の命令がよいのか

分岐予測

• 分岐予測の詳細（2022） （PDF版）
  • パーセプトロン予測器や TAGE 予測器の概要
  • 間接分岐予測器
  • 複数命令同時フェッチ時の予測の実装方法
• CBP2025への取り組み（2025） （PDF版）
  • 現代の CPU と分岐予測器
  • CBP 参加の際の取り組み

GPU

• 電力効率 と GPU（2025） （PDF版）
  • 半導体における消費電力や効率の考え方
  • (GP)GPU のアーキテクチャの意味

浮動小数点演算器

• 浮動小数点演算器の高速化（2025） （PDF版）
  • 背景となる技術
  • 高速な FMA 演算器を作るための工夫

謝辞

講義資料の一部を作るのを手伝ってくれた以下のみなさまに感謝いたします．

• 名古屋工業大学 大学院 工学研究科 工学専攻 小泉先生
• 東京大学 大学院 情報理工学系研究科 創造情報学専攻 松井くん