二ビット予測
英語表記: Two-bit Predictor
概要
二ビット予測（Two-bit Predictor）は、CPUが命令を高速に処理するために不可欠な技術である「分岐予測器」の中で、最も広く利用されている方式の一つです。これは、プログラムの実行中に発生する「分岐命令」（if文やループなど）がどちらの経路に進むかを予測するために、2ビット（すなわち4つの状態）の履歴情報を用いる手法です。一ビット予測に比べて予測の安定性が格段に高く、一時的な予測の失敗に過度に反応しない「慣性」を持たせることで、CPUのパイプライン処理の効率を最大化することを目的としています。
この技術は、CPUの仕組み（命令セット, パイプライン）という大きな枠組みの中で、特に「分岐予測と投機実行」を支える中核的な要素として機能しています。
詳細解説
分岐予測の必要性と二ビットの役割
現代の高性能CPUは、命令を連続的に処理する「パイプライン処理」を採用しています。これは、工場で製品をラインに乗せて次々と処理していくようなイメージです。しかし、このパイプライン処理において、プログラムの実行経路が変わる「分岐命令」が発生すると大きな問題が生じます。次に実行すべき命令が確定するまで、パイプライン全体が停止（ストール）してしまうためです。
このストールを防ぎ、パイプラインの効率を維持するために導入されたのが「分岐予測」と、予測に基づいて先走って命令を実行する「投機実行」です。二ビット予測器は、この予測の精度を高めるために開発されました。
1ビット予測との決定的な違い
最も単純な分岐予測器である「一ビット予測」は、「前回分岐を取ったか／取らなかったか」の1つの情報しか記憶しません。もし前回分岐を取った場合、今回も取ると予測しますが、一度予測が外れてしまうと、すぐに予測を逆転させてしまいます。
これに対し、二ビット予測器は、2ビット（4つの状態）を用いることで、直前の結果だけでなく、ある程度の「傾向」を記憶します。この4つの状態は以下の通りです。
- 強く取る (Strongly Taken): 非常に高い確率で分岐を取ると予測する。
- 弱く取る (Weakly Taken): 取る傾向にあるが、確信度は低い。
- 弱く取らない (Weakly Not Taken): 取らない傾向にあるが、確信度は低い。
- 強く取らない (Strongly Not Taken): 非常に高い確率で分岐を取らないと予測する。
状態遷移による安定性の確保
二ビット予測の最大の利点は、予測が一度外れただけでは、すぐに反対の「強く」の状態に移行しない点にあります。例えば、「強く取る」と予測しているときに、一度だけ分岐を取らなかったとしても、状態は「弱く取る」に遷移するだけです。次にまた分岐を取らなかった場合のみ、「弱く取らない」へと遷移していきます。
つまり、予測を反転させるためには、同じ方向の予測ミスが2回連続で発生する必要があるのです。
この「慣性」のおかげで、ループ処理の最後の1回だけ分岐を取らないような、一時的な例外的な挙動に対して予測器が過敏に反応しなくなり、予測精度が飛躍的に向上します。予測ミス（ミスペナルティ）はパイプラインの性能を大きく損なうため、この安定性の向上は、現代CPUの高速化において決定的に重要な役割を果たしています。
この予測状態は、通常、BHT（Branch History Table）と呼ばれるCPU内部の小さなメモリ領域に格納されています。分岐命令が実行されるたびにこのテーブルが参照され、予測が行われるのです。
具体例・活用シーン
具体的な活用シーン：ループ処理の最適化
二ビット予測が最も力を発揮するのは、プログラムの「ループ処理」です。
例えば、「100回繰り返すループ」があったとします。このループの分岐命令は、最初の99回は「ループを継続する（分岐を取る）」という結果になりますが、最後の1回だけ「ループを終了する（分岐を取らない）」という結果になります。
- 一ビット予測の場合: 99回成功した後、100回目で予測が外れます（分岐を取らない）。これにより、次の101回目の命令の予測は「取らない」に反転します。しかし、実際にはこのループは終了しているため、次の分岐命令（もしあれば）はまた「取る」方向に進む可能性が高く、予測が不安定になります。
- 二ビット予測の場合: 99回は「強く取る」の状態で正確に予測します。100回目で予測が外れたとき、状態は「弱く取る」に遷移するだけです。予測自体はまだ「取る」のままなので、この予測ミスによるペナルティは発生します。しかし、次のループに入ったときに、すぐに「強く取らない」になってしまうことを防げるため、予測器全体として安定した性能を維持できます。
天気予報士のメタファー
二ビット予測の仕組みを理解するための良い類推は、「経験豊富な天気予報士」です。
- 素人（1ビット予測）: 「昨日晴れだったから、今日も晴れだ」と直前の情報だけで判断します。もし今日雨が降ったら、明日すぐに「雨だ」と断言します。一時的なゲリラ豪雨にも過敏に反応し、予測がコロコロ変わってしまいます。
- 経験豊富な予報士（2ビット予測）: 「過去1週間のデータを見ると、この時期は晴れが続く傾向にある（強く取る）。今日の午前中、一時的に雨が降ったが、これは気圧配置の短期的な乱れかもしれない。まだ『晴れの可能性が高い』という予測は変えずにおこう（弱く取る）」。
この予報士は、予測を完全に変えるためには、「2日連続で雨が降る」といった、明確な傾向の変化を待つのです。これにより、一時的なノイズ（例外的な分岐）に惑わされることなく、プログラムの長期的な傾向（ループなど）に対して高い予測精度と安定性を保つことができるのです。
この安定性こそが、CPUのパイプライン処理の効率を最大限に引き出す鍵であり、二ビット予測が分岐予測器の主流たる所以です。
資格試験向けチェックポイント
二ビット予測（Two-bit Predictor）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の高性能化技術として頻出するテーマです。特に、CPUの仕組み（命令セット, パイプライン）という文脈で問われます。
| 試験レベル | 典型的な出題パターンと学習のヒント |
| :— | :— |
| ITパスポート | 直接的な出題は稀ですが、「パイプライン処理の効率を上げるための技術」として、分岐予測や投機実行の概要が問われることがあります。「ストール」の概念と、それを避けるための工夫として理解しておくと良いでしょう。 |
| 基本情報技術者 | 「分岐予測」の仕組みに関する問題として出題されます。特に「1ビット予測と2ビット予測の違い」が重要です。2ビット予測が「4つの状態」を持つこと、そして「予測ミスが一度発生してもすぐに予測方向を反転させない」という安定性の利点をしっかりと覚えてください。 |
| 応用情報技術者 | 2ビット予測がどのように状態遷移するか、具体的な状態名（強く取る、弱く取るなど）や、ループ処理における予測精度の向上効果について、より深く問われる可能性があります。また、より高度な分岐予測器（相関分岐予測など）の基礎として、二ビット予測の位置づけを理解しておくことが求められます。 |
重要キーワードの確認:
- パイプライン処理: 性能向上の基盤技術。
- ストール: パイプラインの停止。
- 投機実行: 予測に基づいて命令を先に実行すること。
- ミスペナルティ: 予測が外れた場合の性能低下。
- 4つの状態: 2ビットが表現する4つの確信度レベル。
関連用語
- 情報不足
（本来であれば、一ビット予測、相関分岐予測、BTB (Branch Target Buffer)、BHT (Branch History Table)、投機実行といった用語が関連しますが、入力材料の指定に基づき「情報不足」と記述します。これらの用語は、二ビット予測が位置する「分岐予測器」というカテゴリを理解する上で非常に重要です。）
