静的予測

2025年10月22日

静的予測

英語表記: Static Prediction

概要

静的予測は、CPUのパイプライン処理において、条件分岐（ブランチ）が発生した際に、その後の命令の流れを予測する最も基礎的かつシンプルな手法です。過去の実行履歴や統計的なデータに頼ることなく、命令コードの形式や、あらかじめ設計段階で決められた固定の規則に基づいて、一律に「分岐する」か「分岐しない」かを決定します。高度な動的予測器がまだ動作していない初期段階や、ハードウェア資源を節約したい場合に、パイプラインの停止を防ぐためのデフォルトの予測として利用されます。

詳細解説

CPUパイプラインと予測の必要性

私たちが今学んでいる「静的予測」は、CPUの仕組み（命令セット, パイプライン）という大きな枠組みの中で、特にパイプラインの効率を維持するために不可欠な技術です。CPUが複数の命令を並行して処理するパイプライン処理では、条件分岐命令に遭遇すると、次に実行すべき命令が確定するまで、一時的にパイプライン全体が停止してしまう「ハザード（ストール）」が発生する可能性があります。この待ち時間を解消し、常にパイプラインを満たしておくために、分岐予測（Branch Prediction）が必要となります。

静的予測の動作原理と目的

静的予測の最大の目的は、複雑な履歴管理を行うことなく、即座に予測結果を提供することです。これは、動的予測器（Dynamic Predictor）のように、過去の実行パターンを記憶するための大容量のテーブル（履歴バッファなど）を必要としません。そのため、非常に高速に処理でき、ハードウェアコストも低く抑えられます。

静的予測は、主に以下の二つの固定ルールに基づいて動作します。このルールは、プログラミングにおける一般的な分岐の使われ方に基づいています。

後方分岐は「分岐する」（Taken）と予測する
- プログラムにおいて、命令ポインタが過去（アドレスの小さい方）に戻る分岐は、ほとんどの場合、ループ処理（繰り返し）を示しています。ループは通常、終了条件を満たすまで何十回、何百回と繰り返されます。
- したがって、後方分岐の場合は「今回も分岐するだろう」と予測するのが、高い確率で正解となります。これは非常に合理的な設計判断だと感じますね。
前方分岐は「分岐しない」（Not Taken）と予測する
- 命令ポインタが未来（アドレスの大きい方）に進む分岐は、主にif-else構造のスキップやエラー処理など、例外的なケースで使われることが多いです。
- プログラムの設計上、メインルート（分岐しない連続した処理）が最も実行される可能性が高いと考えられます。そのため、前方分岐の場合は「今回も分岐せず、そのまま次の命令に進むだろう」と予測します。

分岐予測器における静的予測の位置づけ

「分岐予測器」というコンポーネントの中で、静的予測は土台のような役割を果たします。最新のCPUでは、高度な動的予測器（例えば、2レベル適応型予測器）が主流ですが、静的予測は以下の場面で活躍します。

初期起動時: CPUがリセットされた直後や、キャッシュミスなどで動的予測器の履歴情報が失われた際、一時的に静的予測がデフォルトとして使われます。
単純な命令: 予測器の資源を節約するため、コンパイラが「ほとんど常に分岐しない」とマークした特定の命令に対しては、動的予測を省略して静的予測のみを用いることもあります。
バックアップ: 動的予測器が何らかの理由で予測に失敗した場合や、予測結果を出すのに時間がかかる場合に、即座に静的予測の結果が提供されることもあります。

このように、静的予測は単純ながらも、CPUのパフォーマンスを支える上で欠かせないバックアップシステムなのです。

具体例・活用シーン

銀行窓口の待ち行列（アナロジー）

静的予測の働きを理解するために、銀行の窓口業務を例に考えてみましょう。

あなたは銀行の窓口業務を管理する責任者だとします。お客様の処理（命令）を滞りなく進める（パイプライン）ためには、次にどの窓口（処理経路）に進むかを予測しなければなりません。

ある日、窓口に「処理を続けるか、別の窓口に行くか」という分岐が発生しました。

動的予測（経験豊富なベテラン）: 過去100人の顧客の行動履歴を見て、「この種類の書類を持った人は95%の確率で処理を続けた」と判断し、予測します。
静的予測（シンプルなルール）: 履歴は見ません。ただ、「もし書類が不足していて『後で来る』という場合は、すぐに処理を中断せず、まずは待ち行列の先頭（次の窓口）へ進んでもらう（Not Taken）」という固定ルールを適用します。逆に、「『もう一度最初からやり直す』という指示が出たら、必ず最初に戻る（Taken）」というルールを適用します。

静的予測は、統計的な精度は低いかもしれませんが、データがゼロの状態でも、すぐに何らかの行動を決定できるという即応性に優れています。特に、ループ処理（「この書類に10回サインしてください」）のように、99%の確率で後方に戻ることが分かっている状況では、静的予測は非常に高い精度を発揮します。

プログラミングにおける活用

プログラマが記述するコードにおいても、静的予測の恩恵を受ける構造があります。

ループ処理の最適化:
c for (int i = 0; i < 100; i++) { // 処理 }
このforループの終了判定は、命令レベルでは後方分岐となります。CPUはデフォルトでこれを「Taken（分岐する）」と予測するため、100回の反復のうち、99回は予測が成功し、パイプラインのストールを防げます。
エラーチェックの最適化:
c if (error_code != 0) { // エラー処理（まれにしか実行されない） } // メインの処理
このif文は前方分岐を生成します。エラーが発生することはまれであるため、CPUは「Not Taken（分岐しない）」と予測します。これにより、エラーが発生しない通常の実行パスでは、予測ミスによるペナルティを回避できるのです。静的予測は、プログラムの一般的な挙動を前提とした、非常に賢い「初期設定」だと言えますね。

資格試験向けチェックポイント

静的予測は、IT Passport試験や基本情報技術者試験（FE）、応用情報技術者試験（AP）において、「CPUの高速化技術」や「パイプライン処理」の文脈で出題されることがあります。特に、動的予測との対比が重要です。

試験対策のポイント

静的予測の定義: 「履歴を参照しない固定ルールによる予測」であることを確実に覚えてください。
ルール暗記: 「後方分岐＝Taken（ループ）」、「前方分岐＝Not Taken（通常処理）」が静的予測の代表的なルールであることを理解し、なぜそのルールが採用されているかを説明できるようにしておくべきです。
役割: 静的予測は、動的予測が機能するまでの「初期予測」や「バックアップ」として、パイプラインのストールを最小限に抑える役割を担っていると認識してください。
関連技術: 静的予測の失敗が、投機実行（Speculative Execution）によって実行された命令の取り消し（フラッシュ）を引き起こす原因となる、という流れを理解しておくことが、応用情報技術者試験レベルでは求められます。