RISC-V風スーパースカラプロセッサ教育用シミュレータ FREESS（FREESS: An Educational Simulator of a RISC-V-Inspired Superscalar Processor Based on Tomasulo’s Algorithm）

田中専務

拓海先生、最近部下が「命令レベルの並列性を勉強しろ」とうるさくて困っています。そんな教育用のツールがあると聞きましたが、どんなものなんでしょうか。

AIメンター拓海

素晴らしい着眼点ですね！FREESSという教育用のシミュレータがあって、命令を「見える化」して並列実行の仕組みを体験できるんですよ。大丈夫、一緒に見れば必ず分かりますよ。

田中専務

それは教育現場向けですか。現場のエンジニアに何か直接役立つのですか。導入の投資対効果をまず聞きたいのですが。

AIメンター拓海

良い質問ですね。端的に言うと、教育用だが実務にも使えるツールです。要点を3つにまとめると、1) 実行パイプラインの可視化ができる、2) ボトルネック（停滞）の原因を学べる、3) 設計パラメータを変えて影響を試せる、という点でROIは高いんですよ。

田中専務

なるほど。専門用語が多くてピンと来ません。例えば何を可視化するのですか。「Instruction Window」や「Reorder Buffer」など現場で聞く言葉がありますが、それらがどう働くか見せてくれるのですか。

AIメンター拓海

素晴らしい着眼点ですね！その通りです。Instruction Window (IW)（インストラクションウィンドウ）、Reorder Buffer (ROB)（リオーダバッファ）、Register Map (RM)（レジスタマップ）、Free Pool (FP)（フリープール）、Load/Store Queues (LSQ)（ロード/ストアキュー）などをサイクルごとに可視化します。大丈夫、専門用語は後で身近な比喩で順に説明できますよ。

田中専務

これって要するに命令の並列実行を可視化するツールということ？それを使えば、どこで遅れているか分かる、と。

AIメンター拓海

その理解で合っていますよ。補足すると、FREESSはRISC-V (RISC-V)（アールアイエスシー・ファイブ）風の最小命令セットを使い、Tomasulo’s algorithm（トマスロのアルゴリズム）に基づく動的な順序転換（out-of-order execution）を体験できます。ポイントは三つ、可視化・操作可能なパラメータ・学習用の例題が揃っている点です。

田中専務

具体的には、どのくらいの設定を変えられるのですか。現場の設計改善に使うには、実際のユニット遅延やバッファサイズを入れられる必要がありますが。

AIメンター拓海

素晴らしい着眼点ですね！FREESSはスーパースカラの発行幅（superscalar issue width）、機能ユニットの種類とレイテンシ（latency）、および各種バッファやキューのサイズを動的に変更できます。これにより、設計のトレードオフを短時間で試算できるため、学びながら実務的な示唆も得られますよ。

田中専務

なるほど。実務導入で怖いのは「教育だけでは終わらないか」です。社内で使うにはどの程度のスキルが必要ですか。

AIメンター拓海

大丈夫です、要点を三つにまとめますよ。1) 基本は操作がGUI中心で初心者向け、2) 深掘りする場合は最小限のアーキテクチャ知識があれば良い、3) さらに進めるならソースコードがオープンなのでカスタムが可能、です。だから現場の入門〜中級教育には即戦力になりますよ。

田中専務

ありがとうございます。では最後に私の理解を確認させてください。FREESSは命令レベルの並列処理をサイクルごとに可視化し、設計パラメータを変えつつボトルネックを学べる、教育向けだが実務でも試験的に使えるツール、という理解で合っていますか。こう言えば会議で通りますか。

AIメンター拓海

その理解で大丈夫ですよ。重要な点は三つだけ押さえれば会議で伝わります。1) 命令の並列実行がどう起きるかをサイクル単位で可視化できる、2) ボトルネックの原因が分かるため設計改善の仮説を立てられる、3) オープンソースで実務用にカスタムできる、です。一緒にスライドを作りましょうか。

田中専務

それでは私の言葉でまとめます。FREESSは命令の並列実行を見える化する教育シミュレータで、停滞の原因が分かり、設定を変えて試せるので実務の設計検討にも使える、ということですね。ありがとうございました、拓海先生。

1.概要と位置づけ

結論から述べる。FREESSは、教育用途に特化したが実務的にも有用な「命令レベルの並列性（Instruction-Level Parallelism）」を学ぶための対話的シミュレータである。本論文が変えた最も大きな点は、従来の教育ツールが省略しがちであったロード／ストアキュー（Load/Store Queues）を含むフルパイプラインをサイクル単位で可視化し、学習者がボトルネックを手で確認しながら仮説検証できる点である。まず基礎となる背景を押さえると、現代の高速プロセッサは命令を並列に処理することで性能を高めており、その理解には理論だけでなく動的な挙動の観察が極めて有益である。FREESSはRISC-V（RISC-V）（命令セットの一種）風の最小命令群を採用しているため実装が軽く、授業や短期演習で扱いやすい。応用では、設計パラメータを変えた場合の挙動を短時間で比較できるため、実務における初期設計検討や若手の育成に直接的な価値を提供する。

2.先行研究との差別化ポイント

結論として、FREESSの差別化は「可視化の完遂度」と「操作可能性」にある。従来の教育ツールは命令発行や実行までを示すものが多かったが、ロード／ストア関連の挙動やリオーダバッファ（Reorder Buffer (ROB)）（リオーダバッファ）の詳細を省略しがちであった。FREESSはInstruction Window (IW)（インストラクションウィンドウ）、Register Map (RM)（レジスタマップ）、Free Pool (FP)（フリープール）、Load/Store Queues (LSQ)（ロード／ストアキュー）を含む一連の構成要素をサイクルごとに表示することで、構造的ハザード（structural hazard）、データハザード（data hazard）、制御ハザード（control hazard）など停滞の原因を明確化する。さらにユーザーはスーパースカラの発行幅や機能ユニットのレイテンシを調整できるため、教育用途に留まらず設計案の初期評価に用いることができる。つまり、このツールは単なる可視化器ではなく、実験プラットフォームとしての価値を持つ。

3.中核となる技術的要素

まず核心を述べる。FREESSはTomasulo’s algorithm（Tomasulo’s algorithm）（トマスロのアルゴリズム）を拡張して動的な順序転換（out-of-order execution）をモデル化している。具体的には、命令の発行（issue）、実行（execute）、完了（complete）、コミット（commit）までの各段階をサイクル単位で追跡し、リネーミング（register renaming）や投機的分岐（speculative branching）も扱う。Instruction Window (IW)やReorder Buffer (ROB)、Register Map (RM)、Load/Store Queues (LSQ)といったマイクロアーキテクチャ要素を明示的に実装している点が技術的中核である。また、ユーザーがスーパースカラ発行幅、機能ユニットの種類・レイテンシ、バッファサイズといったランタイムパラメータを動的に変更できる点は教育上の工夫であり、学習者は設計と性能の関係を手で確かめられる。これにより理論と実践のギャップを埋める設計になっている。

4.有効性の検証方法と成果

結論を先に示すと、FREESSは視覚的なフィードバックを通じて学習効率を高めることが示唆されている。検証はサイクルごとの可視化により、どの命令がどのリソースを待って停滞したかを記録し、典型的なエクササイズを通じて学習者がボトルネックを特定できることを確認した。成果として、複数命令が単一サイクル内でどのように発行・実行されるかをステップバイステップで示す例題が用意され、学生が直感的に並列性を掴めることが報告されている。加えて、ツールはオープンソースであるため、教育現場でのカスタマイズや上級者向けの拡張実験が可能であり、その点も有効性の一部として評価されている。すなわち、可視化による理解促進と、ツールの拡張性が主要な成果である。

5.研究を巡る議論と課題

まず要点を述べる。FREESSは教育効果が高い一方で、いくつかの議論と制約が残る。第一に、教育用の最小命令セットは学習を簡潔にするが、実際の複雑な命令セットやマイクロアーキテクチャのすべての振る舞いを再現するわけではないため、高度な設計評価には追加のモデリングが必要である。第二に、可視化は大量の情報を表示するが、学習者がどの情報に注目すべきかを導く教育コンテンツの設計が重要になる。第三に、実務での導入を目指す場合は、実機のタイミングやキャッシュ階層など未実装の要素をどう扱うかが課題である。したがって、今後はより複雑な命令セットやメモリ階層のモデリング、教育カリキュラムとの組合せ検証が必要である。

6.今後の調査・学習の方向性

結論として、FREESSは教育と初期設計検討の橋渡しとして有望であり、次のステップは実務的な拡張と教育効果の定量評価である。具体的には、メモリ階層やキャッシュのモデル追加、より幅広い命令セットへの対応、そして授業やワークショップでの定量的な学習効果測定が必要である。さらに、設計パラメータの最適化を支援する自動化ツールとの連携や、実機計測データを用いた検証も今後の課題である。検索に使える英語キーワードとしては、”FREESS”, “RISC-V simulator”, “superscalar”, “Tomasulo”, “instruction-level parallelism”, “visualization”である。これらを手掛かりに関連研究をたどるとよい。

会議で使えるフレーズ集

「FREESSは命令レベルの並列性をサイクル単位で可視化する教育ツールだ。」

「可視化によって、どの命令がどのリソースを待っているかが明確に分かります。」

「発行幅やユニット遅延を変えて短時間で設計トレードオフを評価できます。」

「オープンソースなので、必要に応じて社内の設計に合わせて拡張可能です。」

「まずは入門演習で並列実行の感覚を掴ませ、次に実務的な検証へつなげましょう。」

R. Giorgi, “FREESS: An Educational Simulator of a RISC-V-Inspired Superscalar Processor Based on Tomasulo’s Algorithm,” arXiv preprint arXiv:2506.07665v1, 2025.