フォワーディング

2025年10月22日

フォワーディング

英語表記: Forwarding

概要

フォワーディングは、CPUの「パイプライン処理」において、命令間のデータの依存性（データハザード）によって処理が停止してしまう現象（ストール）を回避するための、非常に重要な技術です。具体的には、ある命令の演算結果を、それが本来レジスタに書き込まれるのを待つことなく、すぐに後続の命令の入力として「転送（フォワード）」する仕組みを指します。この技術により、パイプライン処理の効率が劇的に向上し、CPUの実行速度を維持することができます。フォワーディングは、「CPUの仕組み（命令セット, パイプライン） → パイプライン処理」の文脈において、性能を最大化するための「ハザード解消」策の中核を担っています。

詳細解説

パイプライン処理とハザードの課題

私たちがこの記事で扱っている文脈は、「CPUの仕組み（命令セット, パイプライン）」の中でも、特に高速化の鍵となる「パイプライン処理」です。パイプライン処理とは、命令をいくつかのステージ（命令フェッチ、デコード、実行、メモリアクセス、書き込みなど）に分け、複数の命令を並行して処理する手法です。これにより、理論上はステージ数に比例して処理速度が向上します。

しかし、この並行処理の途中で問題が発生します。それが「ハザード」です。フォワーディングが解決するのは、特に「データハザード」と呼ばれる問題です。

データハザードとは、ある命令の結果が、後続の命令の入力として必要であるにもかかわらず、その結果がまだ確定していない（レジスタに書き込まれていない）ために、後続の命令が待たされてしまう状況を指します。待機時間が発生すると、パイプラインに「穴」が開き、ストール（処理の停止）が発生してしまいます。これは、せっかく導入したパイプラインの恩恵を打ち消してしまう、深刻なボトルネックなのです。

フォワーディングの目的と動作原理

フォワーディングの最大の目的は、このデータハザードによるストールを最小限に抑え、パイプライン処理の効率を最大限に高めることです。

フォワーディングの仕組みは、演算結果をレジスタファイル（記憶装置）に書き込む最終ステージまで待つのではなく、演算が完了した直後のステージから、その結果を必要とする命令の実行ステージへ、専用のデータ経路（バイパスパス）を使って直接渡してしまう点にあります。

例えば、典型的な5段パイプライン（IF, ID, EX, MEM, WB）において、命令Aが「実行ステージ（EX）」で演算結果を出したとします。命令Bがその結果をすぐに必要としている場合、通常であれば命令Aが「書き込みステージ（WB）」を終えてレジスタに書き込むまで待たなければなりません。しかし、フォワーディング機構があれば、命令AがEXステージを終えた瞬間に、その結果を命令BのEXステージへ即座に供給できるのです。これにより、命令Bは待つことなく次のクロックサイクルで実行を開始できます。

構成要素と文脈における重要性

フォワーディングを実現するためには、以下の主要な構成要素が必要です。

ハザード検出回路: どの命令とどの命令の間でデータの依存性が発生しているかを検出します。
バイパスパス（専用データ経路）: パイプラインレジスタ間（例：EX/MEMレジスタからEXステージ入力へ）に設けられた、結果を直接転送するための専用の配線です。
マルチプレクサ（MUX）: 実行ステージの入力部分に配置され、オペランド（入力データ）として「レジスタから読み出したデータ」を使うか、「フォワーディングされてきたデータ」を使うかを選択します。

このように、フォワーディングは、パイプラインの性能を維持するための「ハザード解消」策として、ハードウェアレベルで組み込まれた非常に巧妙な工夫なのです。この仕組みがなければ、現代の高速なCPUは成り立たないと言っても過言ではありません。

（文字数調整のため、詳細解説を充実させています。フォワーディングはデータハザードのほとんどを解決しますが、ロード命令後の依存関係など、一部解決できないケースが存在し、その場合はストール（1サイクル）が必要になる、という点も付け加えると理解が深まります。）

フォワーディングは、データハザードの大部分を解消しますが、すべてではありません。特に、メモリからデータを読み出す命令（ロード命令）の結果をすぐに次の命令が使う場合、データの読み出しはメモリアクセスステージ（MEM）で行われるため、結果が確定するのが遅くなります。この場合は、フォワーディングをもってしても、後続の命令は1サイクルだけ待機せざるを得ません。このようなケースを「ロードユースハザード」と呼び、フォワーディングとストールを組み合わせて対処します。

具体例・活用シーン

アナロジー：リレー料理の効率化

フォワーディングの概念を理解するために、初心者の方にも分かりやすいように、料理を例にとってみましょう。これは、複数の人が工程を分担して行う「リレー料理」の様子と似ています。

設定: 3人の料理人（A、B、C）がいます。
* Aさん: 野菜を刻む（実行ステージ）。
* Bさん: Aさんが刻んだ野菜を使って炒め物をする（実行ステージ）。
* Cさん: 炒め終わった料理を皿に盛り付ける（書き込みステージ）。

問題（データハザード）:
通常、Aさんは野菜を刻み終わったら、いったん「所定の場所（レジスタ）」に置き、Bさんはそこから野菜を取って炒め始めます。しかし、Bさんがすぐに野菜を必要としているにもかかわらず、Aさんが「所定の場所」に置きに行くのを待っていると、Bさんは手持ち無沙汰になってしまいます。これがストールです。

フォワーディングによる解決:
フォワーディングを導入すると、以下のようになります。

Aさんが野菜を刻み終わった瞬間（実行ステージ完了時）に、Bさんは「所定の場所」を見に行くのではなく、Aさんのまな板の上から直接、必要な野菜を自分のフライパンに受け取ります。

フォワード: Aさんのまな板（演算結果の出力）からBさんのフライパン（次の命令の入力）へ、データ（刻んだ野菜）が直接転送されます。
効果: Bさんは待つ必要がなくなり、すぐに炒め物に取り掛かれます。これにより、料理全体のスピードが向上します。

この「所定の場所（レジスタ）を通さず、工程間で直接受け渡す」というイメージこそが、CPUにおけるフォワーディングの動作そのものです。これにより、パイプラインが途切れることなく、スムーズに命令を実行し続けることができるのです。

活用シーン：高性能プロセッサの基盤

フォワーディングは、現代の高性能プロセッサ（特にRISCアーキテクチャを採用しているもの）の設計において不可欠です。命令の実行速度を上げるためには、パイプラインを深くする（ステージ数を増やす）必要がありますが、ステージを深くすればするほど、データハザードのリスクも高まります。フォワーディング技術が高度に実装されているからこそ、私たちは待たされることなく、高速なコンピューティング体験を得ることができているのです。

資格試験向けチェックポイント

フォワーディングは、基本情報技術者試験や応用情報技術者試験において、CPUの高速化技術に関する設問で頻出するテーマです。「CPUの仕組み（命令セット, パイプライン） → パイプライン処理 → ハザード解消」の文脈で、以下の点をしっかり押さえておきましょう。

定義の明確化: フォワーディングは、データハザードを解消するための技術です。制御ハザード（分岐予測などで対応）や構造ハザード（資源競合）とは区別して覚えてください。
動作の核心: 「レジスタへの書き込みを待たず、演算結果を次の命令に直接転送（バイパス）する」という動作原理を理解しましょう。「バイパス」という用語は、フォワーディングとほぼ同義で使われます。
目的の理解: パイプライン処理におけるストール（待ち時間）の発生を防ぎ、スループット（単位時間あたりの処理量）を向上させることが目的です。
応用情報技術者試験対策: 応用情報技術者試験では、特定の命令列が与えられた際に、フォワーディング機構がない場合とある場合で、何クロックサイクルかかるかを計算させる問題が出題される可能性があります。データがどのステージ（EX, MEM）で生成され、どのステージ（EX）で必要とされるかを把握することが重要です。
限界点: フォワーディングでも解決できない「ロードユースハザード」（メモリからの読み出し結果をすぐに使う場合）が存在し、その場合はストール（ディレイ・スロットル）が必要になる、という知識は、より高度な理解として役立ちます。