レジスタ・リネーミング（コンピュータアーキテクチャ技術）

仕組み

プロセッサは、アーキテクチャ・レジスタ（プログラマから見える名前）から、より大きな物理レジスタ群への対応付けを維持する。パイプラインのリネーム段階では、空きプールから出力先レジスタが割り当てられ、対応表が更新される。そのアーキテクチャ・レジスタを読み取る後続命令は、新しい物理的なコピーを参照する。リネームされた値が不要になると、物理レジスタは空きリストへ戻される。

• 対処する依存関係：リネーミングは偽の依存関係、すなわちリード・アフター・ライト（逆依存）およびライト・アフター・ライト（出力依存）を除去する。ただし、真のライト・アフター・リードのデータフロー依存関係は除去しない。
• 主要な構造：レジスタ別名表（RAT）、物理レジスタ・ファイル、空きリスト、リオーダ・バッファ（ROB）、またはリザベーション・ステーション。

偽の依存関係を排除する初期のハードウェア方式には、スコアボーディングとトマスロのアルゴリズムがある。現代のスーパースカラ・プロセッサおよびアウト・オブ・オーダー実行プロセッサでは、投機的実行と並列実行を可能にするため、リネーム／ディスパッチ段階の一部としてレジスタ・リネーミングが実装されている。

利点とトレードオフ

リネーミングは命令レベル並列性を高め、パイプラインの利用効率を改善するため、短命なレジスタ値が多数あるワークロードで性能向上を可能にする。一方で、追加の物理レジスタ用シリコン、正確な例外処理と回復のためのより複雑な管理、空きリストが枯渇した場合に発生し得るストールというコストがある。

レジスタ・リネーミングは、コンパイラのレジスタ割り付けとは異なる。コンパイラはコンパイル時に限られたアーキテクチャ・レジスタ群を変数へ割り当てるのに対し、ハードウェア・リネーミングは実行時に、それらのアーキテクチャ・レジスタを物理ストレージへ動的に再対応付けする。より技術的な解説については、入門書やプロセッサ設計の文献、技術概要、およびCPUマイクロアーキテクチャ論文の実装事例（命令レベルの考慮事項の例）を参照。