プリフェッチ

2025年10月22日

プリフェッチ

英語表記: Prefetch

概要

プリフェッチとは、中央処理装置（CPU）が、次に実行する必要がある命令や、処理に必要なデータを、実際に求められる前に主記憶（メモリ）から高速なキャッシュメモリへ、あるいはCPU内部のバッファへあらかじめ読み込んでおく技術のことです。これは、命令実行のサイクル（フェッチ・デコード・実行）のうち、最初のステップである「命令フェッチ（命令の取り出し）」の段階で発生するメモリからのデータ待ち時間（レイテンシ）を最小限に抑えることを主な目的としています。この先読み機能により、CPUの処理効率、特にパイプライン処理のスムーズな継続性が劇的に向上します。

詳細解説

プリフェッチは、「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、特に「フェッチ・デコード・実行サイクル」の効率を決定づける非常に重要な役割を果たしています。

プリフェッチの必要性と目的

現代のCPUは非常に高速に動作しますが、外部にある主記憶（DRAM）へのアクセス速度は、CPUの動作速度に比べて遥かに遅いのが現状です。もしCPUが命令フェッチのたびに主記憶にアクセスし、その応答を待つことになると、CPUはほとんどの時間、アイドル状態（待機状態）になってしまいます。これは非常にもったいないですよね。

プリフェッチの最大の目的は、このCPUとメモリ間の速度差によって生じる「待ち時間（レイテンシ）」を隠蔽し、CPUを常に忙しい状態（＝高効率な状態）に保つことです。

動作原理：命令フェッチの最適化

プリフェッチは、プログラムが基本的に順序立てて実行されるという特性を利用します。

予測と先読み: CPU内部のプリフェッチ機構は、現在実行中の命令のアドレス（プログラムカウンタが示すアドレス）に基づき、次に実行されるであろう連続した命令群を予測します。
バッファへの格納: 予測された命令群は、主記憶から高速に取り出され、CPU内部に設けられた命令キャッシュやプリフェッチバッファと呼ばれる一時的な記憶領域に格納されます。
パイプライン処理との連携: CPUは、命令をパイプライン（流れ作業）で処理します。例えば、ある命令が「実行」ステージにあるとき、次の命令は「デコード」ステージ、さらにその次の命令は「フェッチ」ステージにいるべきです。プリフェッチによって、フェッチステージが必要とする命令はすでにバッファ内に準備されているため、メモリからの応答を待つことなく、すぐにデコードステージへ進むことができます。

もしプリフェッチがなければ、「命令フェッチ」のステージがメモリ待ちで停止し、パイプライン全体が詰まってしまう「ストール（Stall）」が発生してしまいます。プリフェッチは、このパイプラインのストールを防ぐための、まさに縁の下の力持ちのような存在なのです。

データのプリフェッチ

この技術は、命令だけでなく、処理に必要なデータ（オペランド）に対しても適用されます。これをデータプリフェッチと呼びます。例えば、配列を順番に処理するループ構造の場合、次にアクセスする配列要素を事前にキャッシュに読み込んでおくことで、データアクセスの遅延も防ぎます。

命令フェッチの効率化は、CPUの仕組み全体、特にパイプライン処理の性能を最大限に引き出すための、極めて重要な要素技術であると心から感じます。

具体例・活用シーン

プリフェッチの概念は、私たちの日常的な行動にも非常に似たものを見つけることができます。

アナロジー：レシピと食材の事前準備

プリフェッチを理解するための最も分かりやすい比喩は、「料理のレシピと食材の準備」です。

ある料理人（CPU）が、非常に複雑で工程の多い料理（プログラム）を作っていると想像してください。この料理人は、一つの工程（命令）を終えるたびに、次の工程で使う食材（次の命令やデータ）を冷蔵庫（主記憶）に取りに行く必要があります。

もし、工程が終わるたびに冷蔵庫まで往復していたら、料理全体にかかる時間は大幅に伸びてしまいます。なぜなら、冷蔵庫から食材を探して取り出すのに時間がかかるからです（これがメモリレイテンシです）。

ここで、プリフェッチの出番です。優秀な料理の助手（プリフェッチ機構）は、レシピを先読みし、「今の工程が終わるまでに、次に使う野菜と調味料をすべてカウンター（キャッシュメモリやプリフェッチバッファ）の上に準備しておく」という作業をします。

その結果、料理人（CPU）は手を止めることなく、目の前のカウンターにある食材を使って次の工程に移ることができます。このように、待ち時間をゼロにするための先回りした準備こそが、プリフェッチの役割であり、CPUパイプライン処理をノンストップで動かす秘訣なのです。料理がスムーズに進むと、見ている側も気持ちが良いですよね。

活用シーン

ゲーム処理: 大量のテクスチャデータや次のシーンで使うオブジェクトデータを、プレイヤーがその場に到達する直前にメモリからキャッシュにプリフェッチすることで、ロード中のカクつき（フリーズ）を防ぎ、スムーズなゲーム体験を提供します。
大規模データ処理: データベースや科学技術計算で巨大な配列や行列を扱う際、プリフェッチ機構がアクセスパターンを予測し、必要なデータを高速なキャッシュラインに事前に引き込むことで、処理速度を大幅に向上させます。

資格試験向けチェックポイント

プリフェッチは、ITパスポートから応用情報技術者試験まで、CPUの基本構造と性能向上技術として頻出するテーマです。特に「パイプライン処理」と関連付けて問われることが多いです。

試験対策のヒント:

キーワードの関連付け: 「プリフェッチ」を見たら、必ず「パイプライン」「フェッチ・デコード・実行サイクル」「キャッシュメモリ」「待ち時間（レイテンシ）の隠蔽」というキーワードをセットで思い出すようにしてください。
階層構造の理解: プリフェッチは、CPUの処理サイクルの中で「命令フェッチ」のステージを支援する技術であり、結果として「パイプライン」全体の効率を上げることを目的としています。この文脈をしっかり理解しているかが問われます。
ストール対策: プリフェッチはストール（パイプラインの停止）を防ぐための主要な手段の一つです。ストールがなぜ発生するのか（メモリ待ち、データ依存性、制御依存性）を理解しておくと、プリフェッチの重要性がより深く分かります。