AMP（非対称マルチプロセッシング）とは？仕組み・利点・課題・実装の実務ポイント解説

2025年12月28日 最終更新日時 : 2025年12月28日 エバープレイ編集部

概要：AMP（非対称マルチプロセッシング）とは

AMP（Asymmetric Multi-Processing、非対称マルチプロセッシング）は、複数のプロセッサコアを持つシステムにおいて、各コアが同一のOSスケジューラやリソース管理下に置かれるSMP（Symmetric MP）とは異なり、コアごとに役割や動作モード、あるいは実行するOSやタスクが非対称に割り振られる設計方式を指します。たとえば、あるコアは高性能でLinuxを動かし、別のコアはRTOSやベアメタルでリアルタイム制御を行う、といった構成が典型です。

なぜAMPを使うのか：採用背景と利点

  • リアルタイム性と高性能処理の共存：リアルタイム制御が必要な処理を専用コアで隔離し、汎用処理を別コアで行うことで遅延や優先度逆転のリスクを低減できる。
  • 障害隔離・安全性の向上：クラッシュやメモリ破壊が一部のコアに留まるように設計すれば、安全性要求の厳しい用途（自動車、産業機器、航空宇宙）で有利になる。
  • 異種コアの活用：異なる命令セットや性能特性を持つコアを混在させる場合、すべてを1つのスケジューラで透明に扱うことが困難なため、AMP的な割り当てが自然になる（例：DSP／マイクロコントローラ系とアプリケーションコア）。
  • 簡易なソフトウェア分割：既存の単体システム（レガシーなRTOS等）を大きなSoCに統合する際、既存OSをそのまま別コアで動かすことで移植コストを抑えられる。

AMPの典型的な構成パターン

  • マルチOS構成：コアA → Linux、コアB → RTOS、コアC → DSPファームウェア。
  • ホスト/コプロセッサ構成：ホストコアがアプリを担当し、コプロセッサコアが低レイテンシ処理やI/O制御を担当。
  • ハードウェア分離構成：メモリマップやデバイスアクセスをハードウェアで分離し、各コアが独立してシステムリソースを利用する。

技術的な要点と実装課題

AMPを採用する際には、以下の技術的項目を慎重に扱う必要があります。

  • リソース分割：メモリ、デバイス、割り込み、クロック／電源などをどのように割り当てるか。共有資源は徹底したアクセス管理が必要。
  • ブート・シーケンス：各コアのブート順序とブートローダの責任分担。多くのSoCではブートROMやブートローダがコアを初期化してから二次ブートを行う。
  • キャッシュ一貫性（cache coherency）：コア間でキャッシュ整合性が保証されるか、されないかで設計が大きく変わる。非コヒーレントな場合はソフトウェアでflush/invalidateを行う必要がある。
  • 割り込みと優先度制御：あるコアでの割り込み処理が他コアの遅延を招かないような設計。
  • 相互通信（IPC）：コア間通信はメッセージパッシング、共有メモリ＋ロック、mailbox、RPMsg/openAMPなどを用いる。適切な同期とエラー処理、過負荷対策が必要。
  • デバイスドライバの分割：デバイスが共有される場合、どの側でドライバを動かすか、あるいはプロキシを作るかを決める。

OSとソフトウェアスタックの選択肢

AMPでは「コアごとに別のOSを走らせる」ことがよくあるため、組み合わせが多様です。典型的にはLinux＋RTOS、あるいはLinux＋ベアメタルが多く用いられます。Linux上にはremoteproc/rpmsgといったメカニズムがあり、リモートコアのファームウェア管理やIPCを支援します（Linuxカーネルのremoteproc/rpmsgサブシステム参照）。

実務上の設計パターンと注意点

  • 設計段階での機能分割を明確にする：どの処理がハードリアルタイムか、どの処理が安全クリティカルかを明文化する。
  • インターフェースを厳格に定義：共有メモリレイアウト、メッセージ形式、エラーコード、タイムアウトなどを仕様化しておく。
  • フェイルオーバー／監視機構：各コアのヘルスモニタ（ウォッチドッグ）、ハートビート、リセット戦略を設計する。
  • デバッグとテスト：分散ログ収集、トリガブルなコア停止／再起動、トレース収集の仕組みを初期段階で組み込む。
  • セキュリティ境界の設計：特権境界・メモリ保護・暗号鍵管理をコア間で漏れがないようにする。ARM TrustZoneやハードウェアMMU/IOMMUの利用を検討する。

AMPとSMP・HMPの違い（混同されやすい点）

重要な点は、AMPでは「スレッドやプロセスが自由にコア間を移動（スケジューラによる負荷分散）」しないことが多い点です。SMPは単一のOSカーネルが複数コアを統制し、スレッドをどのコアでも動かせます。一方、ARMのbig.LITTLEに代表されるHMP（Heterogeneous MP）は、OS側が異種コアの性能を把握してスケジューラで動的に割り当てる方式で、AMPとは設計思想が異なります。

代替手段：ハイパーバイザ／仮想化との比較

AMPの代替として、ハイパーバイザを用いて1台の物理マシン上で複数のゲストOSを隔離する方法があります。JailhouseやXen、KVMなどを利用すれば、リソースの静的割り当てや動的割り当てが柔軟に行え、安全性やデバッグ性、管理性が向上する場合があります。ハイパーバイザはAMP的な利点（分離性）を保ちつつ、ホスト側で入出力や監視を統一的に扱える利点があります。

現実の適用例

  • 自動車：ADASや車載制御では、車両制御（安全クリティカル）を専用コアで、インフォテインメントを別コアで動かすケース。
  • 通信機器：ベースバンド処理やパケット処理を専用コア／FPGAで行い、管理や制御は汎用コアで処理する。
  • 組み込みデバイス：センサ処理をリアルタイムコアで、GUIやクラウド連携をアプリケーションコアで処理する。

設計チェックリスト（実務でよく使う項目）

  • 要求機能のリアルタイム制限と安全基準の確認
  • メモリ・デバイスのマッピング設計と保護機構の検証
  • IPCプロトコルとタイムアウト、再試行戦略の仕様化
  • ブートローダとファームウェアの更新戦略（各コアのFWバージョン管理）
  • リセット・フェイルオーバー手順とテスト手順書の整備
  • パフォーマンス計測（レイテンシ、スループット、電力消費）の計画

まとめ

AMPは、リアルタイム性や安全性、異種コア活用といった要件が強いシステムで有効な手法です。一方で設計・実装の複雑さ、デバッグの難しさ、資源管理の困難さといった課題も伴います。採用を検討する際は、目的となる機能の分割基準、IPC方式、ブート戦略、リカバリ設計、セキュリティ境界を明確にし、場合によってはハイパーバイザ等の代替技術も比較検討することをおすすめします。

参考文献

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