BTB (Branch Target Buffer)（BTB: ビーティービー）

2025年10月23日

BTB (Branch Target Buffer)（BTB: ビーティービー）

英語表記: BTB (Branch Target Buffer)

概要

BTB（Branch Target Buffer）は、現代の高性能CPUに不可欠な特殊なキャッシュメモリです。CPUの処理効率を劇的に高める「分岐予測と投機実行」を支える重要な要素であり、特に「分岐ターゲット制御」の役割を担っています。具体的には、プログラム中の条件分岐命令（ジャンプ命令など）に遭遇した際、次に実行すべき命令が格納されているアドレス（ターゲットアドレス）を高速に予測し、提供することを目的としています。この予測により、パイプライン処理の停滞（ストール）を防ぎ、CPUが命令を途切れることなく処理し続けられるように支援しています。

詳細解説

BTBの概念は、「CPUの仕組み（命令セット, パイプライン）」という大きな文脈の中で、その真価を発揮します。現代のCPUは、パイプラインという仕組みを使って、複数の命令を並行して処理することで高速化を実現していますが、このパイプライン処理の最大の弱点が「条件分岐」です。

プログラムには必ず、条件によって実行経路が変わる分岐命令（例：if文やforループ）が含まれます。分岐命令がパイプラインの途中まで進んだとき、その条件が確定するまで、CPUは次にどちらの命令を読み込むべきかわからず、仕方なく処理を待機させてしまいます。これが「パイプラインハザード」の一つであり、性能を大きく低下させる要因となります。

この問題を解決するために、「分岐予測と投機実行」の技術が導入されました。BTBは、この予測システムの中でも特に重要な「分岐ターゲット制御」を担う部分です。

BTBの構造と動作原理

BTBの目的は、分岐命令が検出されるやいなや、その「行先」を即座に知らせることです。これは、単に「分岐が起こるか、起こらないか」を予測するだけでなく、「分岐が起こるなら、どこへ行くのか」というアドレス情報そのものを提供する機能です。

BTBは、高速な連想メモリ（キャッシュ）として構成されています。格納されている主な情報は以下のペアです。

タグ（分岐命令のアドレス）: 過去に処理した分岐命令が格納されていたメモリアドレス。
ターゲットアドレス: その分岐命令が成立した際に、次に実行されるべき命令が格納されているメモリアドレス。

動作の流れは非常にシンプルです。

命令フェッチ段階での参照: CPUが命令をメモリから読み込む（フェッチ）段階で、その命令のアドレスをBTBに問い合わせます。
ターゲットアドレスの即時提供: もしBTBにそのアドレスがヒットした場合、BTBは「これは過去に分岐した命令だ。ターゲットアドレスはここだ」と予測結果（ターゲットアドレス）を瞬時に返します。
投機実行の開始: CPUは、分岐命令の条件が確定するのを待たず、BTBが提供したターゲットアドレスから次の命令の読み込みと実行（投機実行）を開始します。これは非常に大胆な行動ですが、予測が当たれば大幅な時間短縮になります。

もし予測が外れてしまった場合、投機実行された命令群はすべて破棄され、正しいアドレスから命令の読み込みがやり直されます。このやり直しのコスト（ペナルティ）は大きいですが、BTBの予測精度は非常に高いため、全体としては大幅な性能向上が見込めるのです。BTBは、現代のCPUが持つ高速性、すなわち「分岐ターゲット制御」の賢さを象徴していると言えるでしょう。

具体例・活用シーン

BTBの働きを理解するために、私たちは日常の行動に例えてみましょう。BTBは、まるで「頻繁に利用する交差点の進路を完璧に覚えているベテラン運転手」のような存在です。

アナロジー：ベテラン運転手の進路予測

CPUのパイプライン処理を、長距離トラックの運転に例えます。トラック（命令）は高速道路（パイプライン）をスムーズに流れ、目的地（処理完了）を目指します。

運転手（CPU）が初めての交差点（分岐命令）に差し掛かるとき、標識や信号を見て「どちらへ曲がるか」を判断するのに時間がかかります。判断が遅れると、トラックは停止し、後続のトラック（次の命令）も渋滞してしまいます。これがパイプラインストールです。

ここでBTB（ベテラン運転手の記憶）の出番です。

交差点の認識（分岐命令の検出）: 運転手が交差点に近づいた瞬間、BTBは「ああ、この交差点はいつも右に曲がっていたな」と過去の経験（履歴）から即座に判断します。
先行行動（投機実行）: 運転手は、まだ信号の色が変わるのを待つ前に、右折レーンに入り、アクセルを緩めずに進み始めます。これが投機実行です。BTBは、単に「曲がるだろう」だけでなく、「右折先の道のアドレス」を教えているのです。
予測の成功: 信号が青に変わり、実際に右折が正しかった場合、トラックは一切減速することなく交差点を通過し、時間ロスはゼロになります。
予測の失敗（ペナルティ）: もし、BTBの予測に反して「今回は左折しなければならなかった」場合、運転手は急ブレーキをかけて左折レーンに戻り、進みすぎた分だけバックしなければなりません。これが予測ミスのペナルティです。この引き返すコストは大きいですが、BTBの予測精度（通常90%以上）が高いため、ほとんどの場合は先行した努力が報われます。

このように、BTBはプログラムの分岐を先読みし、実行の「行先」を制御することで、パイプラインという高速な処理の流れを維持し続けているのです。このベテラン運転手の判断力こそが、現代CPUの高速性の源泉の一つだと考えると、技術の進化には本当に驚かされますね。

資格試験向けチェックポイント

BTBは、特に基本情報技術者試験や応用情報技術者試験において、CPUアーキテクチャや高速化技術の分野で頻出するテーマです。

BTBの機能と目的の理解: BTBは「分岐ターゲットアドレス」を記憶し、提供するためのキャッシュメモリである、という点を必ず押さえてください。「分岐予測」の中でも、特に分岐の行先（ターゲット）を制御する役割に特化していることが重要です。
パイプラインハザードとの関係: BTBの主な目的は、分岐命令によるパイプラインの停止（ストール）を回避し、命令の連続的な実行（投機実行）を可能にすることです。選択肢で「メモリアクセスの高速化」など、無関係な目的が混ざっていないか注意しましょう。
関連技術との区別（応用レベル）: BTBは「どこへ行くか」を予測しますが、「分岐するかどうか」の確率を予測する「分岐履歴バッファ（BHT/BPB）」と組み合わせて使用されることが多いです。両者の役割の違いを明確に理解しているかどうかが、応用情報技術者試験では問われる傾向があります。BTBが分岐命令の検出とターゲット制御に責任を持ち、BHTが分岐の成否の予測に責任を持つ、と覚えておくと良いでしょう。
予測ミスによる影響: 予測が外れた場合、投機実行された命令は破棄され、パイプラインの再構築が必要となり、ペナルティが発生します。このペナルティがCPU性能に与える影響についても、定性的に理解しておく必要があります。BTBの性能は、CPUのクロック周波数だけでなく、命令あたりの実行サイクル数（IPC）を向上させる上で極めて重要です。