BTB（ビーティービー）

2025年10月14日

BTB（ビーティービー）

英語表記: BTB (Branch Target Buffer)

概要

BTB（Branch Target Buffer、分岐ターゲットバッファ）は、高性能なCPUの制御装置に組み込まれている、非常に重要なキャッシュメモリの一種です。これは、プログラムの実行中に発生する「分岐命令」（if文やループ処理など）が次にどこへジャンプするか（分岐先アドレス）を予測し、その情報を一時的に保持するために利用されます。

この技術は、コンピュータの構成要素における制御装置（命令の解釈と制御信号）の効率を最大化するために不可欠であり、特に分岐予測と投機実行という高度な処理を支える土台となっています。BTBがあるおかげで、CPUは分岐命令の結果が確定する前に、次の命令の読み込み（フェッチ）を迅速に開始できるのです。

詳細解説

制御装置におけるBTBの役割

現代の高性能CPUは、処理速度を上げるために「パイプライン処理」という手法を採用しています。これは、命令の実行をいくつかのステージ（命令の読み込み、解釈、実行など）に分割し、複数の命令を同時に並行して処理する仕組みです。しかし、このパイプライン処理にとって最大の障害となるのが「分岐命令」です。

分岐命令が発生すると、プログラムの次の命令がどこにあるのか（分岐するか、そのまま直進するか）がすぐにわかりません。もし間違った命令をパイプラインに流し込んでしまうと、その処理全体を破棄（フラッシュ）し、最初からやり直さなければならず、これは大きな時間的損失（ペナルティ）となります。

ここで制御装置は、このペナルティを回避するために「分岐予測」を行います。BTBは、この分岐予測の中でも特に「どこへ飛ぶか」という分岐先のアドレスを予測し、提供する役割を担っています。

動作原理と主要コンポーネント

BTBは、分岐命令のアドレスをキー（タグ）として、過去にその命令が分岐した際の「ターゲットアドレス」をペアで記憶しています。これは一種の連想メモリとして機能します。

命令のフェッチ: CPUが命令を読み込む際、その命令アドレスがBTBに登録されているかを確認します。
BTBヒット: アドレスがBTBに存在した場合（ヒット）、BTBは記憶しているターゲットアドレスを即座に提供します。
予測の実行: 制御装置は、この予測されたターゲットアドレスを用いて、次の命令の読み込み（フェッチ）をすぐに開始します。これが投機実行の第一歩です。
BTBミス: アドレスがBTBに存在しない場合、または予測が外れた場合は、パイプラインは一旦停止し、正しい分岐先が確定してから処理が再開されます。

BTBは「どの命令が分岐命令であるか」を識別する機能も持っているため、命令をデコードする前（読み込みステージ）に分岐先を予測できる点が非常に強力です。これにより、パイプラインの停止時間を最小限に抑え、CPUの処理能力（IPC: Instruction Per Cycle）を大幅に向上させているのです。

分岐履歴テーブル（BHT）との違い

BTBは、しばしば「分岐履歴テーブル（BHT: Branch History Table）」と混同されがちですが、役割が異なります。

BHT: 「分岐するかしないか」という方向性（Yes/No）を予測します。
BTB: 分岐すると予測された場合、「どこへ飛ぶか（ターゲットアドレス）」を提供します。

高性能な制御装置は、これら両方の機構を組み合わせて、非常に高い精度で分岐予測と投機実行を実現しているのです。BTBは、特にループ処理や関数呼び出しの戻り先など、常に同じ分岐先を持つ命令に対して、絶大な効果を発揮します。この技術がなければ、現在のマルチコアプロセッサの高速性は実現しなかったと言っても過言ではありません。

具体例・活用シーン

高速道路のカーナビゲーションの比喩

BTBの働きを理解するために、高速道路の運転を考えてみましょう。

あなたは目的地へ向かっていますが、途中でいくつものジャンクション（分岐命令）があります。もし、ジャンクションに差し掛かるたびに「さて、今回はどっちへ行けばいいかな？」と立ち止まって地図を確認していたら、目的地への到着は大幅に遅れます。これが、分岐予測がない場合のパイプラインの停止です。

ここでBTBは、「経験豊富なカーナビゲーションシステム」のような役割を果たします。

過去の経験の記憶: カーナビ（BTB）は、あなたが過去に「○○ジャンクション」に差し掛かったとき、必ず「△△方面」へ進んだという履歴を記憶しています。
先読みの提案: あなたが○○ジャンクションの手前に来た瞬間、カーナビは「経験上、あなたは△△方面へ行くはずです。すぐに車線を変更してください」と予測し、進むべき方向（ターゲットアドレス）を瞬時に示します。
ノンストップ走行: ドライバー（CPU）は、立ち止まって考えることなく、カーナビの予測に従って（投機実行）スムーズに車線を変更し、高速で走行を続けます。

もしカーナビの予測が外れた場合（予測ミス）、少し戻って正しい道を探す手間が発生しますが、ほとんどの場合は予測が当たるため、全体としての移動時間（処理時間）は劇的に短縮されるのです。

活用シーン

BTBは、特に以下の状況で制御装置の効率を向上させます。

大規模なループ処理: 繰り返し実行されるループの終了条件判定（分岐命令）に対して、BTBは常にループの先頭アドレスを予測し、パイプラインを継続させます。
関数呼び出しと戻り: 関数から呼び出し元へ戻る際のアドレス（リターンアドレス）を予測する際にも、BTBまたは類似のバッファ（Return Address Stack: RAS）が活用されます。

この機構は、現代のすべての高性能プロセッサ（Intel, AMD, ARMなど）の設計において、電力効率と処理速度を両立させるための基盤技術として組み込まれています。

資格試験向けチェックポイント

BTBは、基本情報技術者試験や応用情報技術者試験の午前問題で、CPUの高速化技術に関する設問の一部として頻繁に出題されます。ITパスポートでは詳細な知識は問われにくいですが、「パイプライン処理」や「投機実行」の効率化に貢献する技術として理解しておくと非常に有利です。

押さえるべきポイント

分類の理解: BTBは、制御装置が実行する分岐予測を助けるためのキャッシュメモリである、という分類を必ず覚えてください。
機能: BTBの役割は「分岐先アドレス」を予測し、提供することです。「分岐するかどうか」を予測するのはBHT（分岐履歴テーブル）です。この違いは頻出です。
目的: パイプライン処理における「ハザード（中断）」を防ぎ、CPUの性能（IPC）を向上させることが目的です。
連携技術: BTBによる予測に基づいて命令を先取りして実行するプロセスを「投機実行」と呼びます。この2つの用語はセットで問われます。
キーワード: 分岐ターゲットアドレス、パイプラインハザード、制御ハザード、キャッシュメモリの一種。