SMP（SMP: エスエムピー）

2025年10月23日

SMP（SMP: エスエムピー）

英語表記: Symmetric Multiprocessing

概要

SMP（Symmetric Multiprocessing、対称型マルチプロセッシング）は、複数のプロセッサ（CPU）またはCPU内のコアが、共通のメモリや入出力デバイスを共有し、協力して処理を実行するマルチプロセッサ構成の一種です。この仕組みは、CPUの仕組み（命令セット, パイプライン）の進化の中で、単一のプロセッサの性能向上に限界が見えた際に、システム全体の処理能力を飛躍的に高めるために考案されました。特に、マルチコア構成の基本的な考え方であり、すべてのプロセッサが平等に対称的にタスクを分担することが最大の特徴です。

詳細解説

階層における位置づけ：なぜマルチコア構成でSMPが重要なのか

私たちは今、「CPUの仕組み（命令セット, パイプライン）」の文脈から、さらに高度な「マルチコア構成」について見ています。パイプライン処理や命令セットの効率化だけでは、処理速度の要求に応えきれなくなってきました。そこで、物理的に複数の処理エンジン（コア）を用意しよう、というのがマルチコア化の考え方です。

SMPは、この「マルチコア構成」において、最も一般的で効率的な設計モデルです。

目的と動作原理

SMPの最大の目的は、システムのスループット（単位時間あたりの処理量）を最大化することです。

1. 対称性（Symmetric）の意味

「対称型」という言葉が非常に重要です。これは、システム内のすべてのCPUまたはコアが、機能的にも権限的にも完全に平等であることを意味します。

単一のOS管理: すべてのプロセッサは単一のオペレーティングシステム（OS）によって管理されます。OSは、実行すべきタスク（スレッドやプロセス）を、空いているどのプロセッサにも自由に割り当てることができます。
共有リソース: 全てのプロセッサが、同じシステムバスを介して、主記憶（メインメモリ）やI/Oデバイスといったシステムリソースを共有します。

この平等性のおかげで、あるコアが特定の種類のタスクしか処理できないといった制約がなく、負荷の偏りが発生しにくい、非常に柔軟な処理分散が可能になるのです。もし、特定のコアだけが重要なタスクを処理する仕組み（非対称型、ASMP）だった場合、そのコアに負荷が集中してしまい、せっかく他のコアが空いていても性能を出し切れません。SMPはこの問題を解決しています。

2. キャッシュコヒーレンシの課題と解決

複数のコアが同じメインメモリ上のデータにアクセスし、それぞれが独自の高速なキャッシュメモリを持っていると、問題が発生します。あるコアがキャッシュ内のデータを更新しても、他のコアのキャッシュには古いデータが残ってしまう可能性があるのです。これを「キャッシュコヒーレンシ（一貫性）」の問題と呼びます。

SMPシステムでは、この一貫性を保つための非常に洗練された仕組み（例：スヌーピングプロトコル）が組み込まれています。コアがデータを更新した際、その変更をシステムバスを通じて他のコアに通知し、必要に応じて他のコアのキャッシュラインを無効化（インバリデート）する処理が行われます。このコヒーレンシ維持機構こそが、SMPを成り立たせるための技術的な要石であり、マルチコア構成の設計における難しさでもあります。

マルチコアと SMT の文脈での理解

中分類の「マルチコアと SMT」において、SMPは物理的なコアの配置と連携の基本形です。SMT（Simultaneous Multithreading、ハイパースレッディングなど）が、1つのコアの内部で複数のスレッドを同時に実行しようとする技術であるのに対し、SMPは複数の独立したコアを使って処理能力を向上させる技術です。現代の多くのCPUは、複数のコアを持ち（SMP構成）、さらにその各コアがSMTに対応しているという、複合的な構造を採用しています。これは、性能を追求する上で非常に自然な流れだと言えますね。

具体例・活用シーン

1. 現代のPCとサーバー

私たちが日常的に使っているほとんどのマルチコアCPU（Intel CoreシリーズやAMD Ryzenシリーズなど）は、基本的な設計としてSMPを採用しています。つまり、あなたのPCに搭載されている4コアや8コアのCPUは、すべて平等な立場でタスクを処理しているのです。高性能なデータベースサーバーやウェブサーバーといった、高い並列処理能力が求められる環境では、数十コアを持つプロセッサを搭載したサーバーが、このSMPの恩恵を最大限に受けています。

2. 比喩：平等なシェフチーム

SMPを理解するための比喩として、「プロのシェフチーム」を考えてみましょう。

あるレストランが非常に多くの注文をさばく必要があり、一人のシェフ（シングルコアCPU）では限界です。そこで、複数のシェフ（複数のコア）を雇うことにしました。

SMPのシェフチームでは、すべてのシェフが同じスキルを持ち、同じ権限を持ちます。彼らは共通の冷蔵庫（共有メモリ）を使い、注文（タスク）が入ると、空いているシェフが「誰がやってもいいよ」という形でタスクを引き受けます。チームリーダー（OS）は、特定のシェフに特定の料理を任せるのではなく、最も効率よく全体が回るように平等に仕事を振り分けます。

もし一人のシェフがレシピを更新したら（データ更新）、すぐに他のシェフにもその変更が伝わり（キャッシュコヒーレンシ）、全員が最新の情報で調理を続けます。この平等性と柔軟性こそが、SMPの強みであり、大量の注文を効率よくさばく秘訣なのです。

3. 性能と拡張性のバランス

SMPは、プロセッサ数を増やせば増やすほど性能が向上する「線形的な拡張性」を理想としますが、現実には、プロセッサが増えるにつれて共通バスへのアクセス競合やキャッシュコヒーレンシの維持コストが増大します。そのため、一般的にはプロセッサ数が限られた範囲（数個から数十個程度）で非常に高い効率を発揮します。これが、多くの高性能ワークステーションで採用されている理由です。

資格試験向けチェックポイント

IT資格試験、特に基本情報技術者試験や応用情報技術者試験では、「マルチプロセッサシステムの分類」としてSMPが出題されることが非常に多いです。

定義の確認（ITパスポート/基本情報）:
- 複数のプロセッサが、一つのOSのもとで、共通の主記憶を共有し、平等に処理を分担する方式である、という定義をしっかり覚えておきましょう。「対称型」＝「平等」と結びつけるのがポイントです。
対比知識（基本情報/応用情報）:
- SMPは、ASMP（非対称型マルチプロセッシング）と対比されます。ASMPでは、特定のプロセッサがOS管理やI/O処理など、特別な役割（マスター）を担うのに対し、SMPではそのような役割分担がなく、すべてが平等（ピア・ツー・ピア）です。この違いを問う問題は頻出です。
- さらに大規模なシステム構成として、NUMA（Non-Uniform Memory Access：非対称メモリ分散アクセス）と比較されることもあります。NUMAはメモリへのアクセス時間がプロセッサによって異なる構成であり、SMPの限界を超えて大規模化を図る技術です。
文脈の理解（応用情報）:
- SMPは、CPUの仕組み（パイプラインなど）の物理的な性能限界を突破し、「マルチコア構成」を実現するための基本中の基本となる考え方です。この技術的な進化の背景を理解しているか問われることがあります。
チップス:
- 試験問題で「マスター/スレーブの関係がある」と記載されていたら、それはASMPの可能性が高いです。「すべてのプロセッサが平等である」とあれば、SMPを選びましょう。