R3000は PlayStationを支えたRISCプロセッサ

1. MIPSの開発経緯
2. アーキテクチャの特徴
3. RISCとCISCの違い
4. ソニーNEWSワークステーションへの採用
5. PlayStationへの採用とソニーとの関係
6. 海外ワークステーションへの採用
7. アーケード・組み込みでの採用
8. 後継・派生
9. 現在のMIPS
10. 主要スペック
11. CPUの歴史
12. 参考サイト

R3000 は1.2μmのCMOSプロセスで製造され、チップ面積56mm²に約11万5千個のトランジスタを集積した。動作周波数は20～40MHzで、実際には30MHzや33MHzでの使用が多かった。浮動小数点演算ユニット（FPU）はR3010 という別チップで用意され、密結合して使用された。

MIPS Computer Systemsは自社工場を持たないファブレス 企業であり、設計に専念してR3000の量産はIDT、LSI Logic、NEC、東芝 など複数の半導体メーカーに委託した。各社が独自の改良を加えたため、同じ「R3000」でも製造元によって細部の仕様が異なった。

R3000 は32ビット汎用レジスタを32本備え、演算はすべてレジスタ間で行い、メモリとのやり取りをロード・ストア命令に限定する「ロード・ストア型アーキテクチャ」を採用した。命令長は32ビット固定で、フェッチとデコードが単純化されている。

R3000 のパイプラインは、命令フェッチ（IF）→レジスタ読み出し（RD）→ALU演算・アドレス計算（ALU）→メモリアクセス（MEM）→レジスタ書き込み（WB）の5段で構成される。5個の命令が同時に異なる段階で処理されるため、理想的には1クロックにつき1命令が完了する。

32本の汎用レジスタの役割は、ハードウェアが強制するものではなく、MIPS社が提供するコンパイラ やアセンブラなどのソフトウェアツール群が呼出規約として定めたものである。ほとんどの開発者がこの規約に従ったため、事実上の標準として扱われた。

名称	番号	用途
$zero	$0	常に0（読み出し専用）
$at	$1	アセンブラが一時的に使用
$v0～$v1	$2～$3	関数の戻り値
$a0～$a3	$4～$7	関数への引数
$t0～$t7	$8～$15	一時変数（呼び出し先が保存不要）
$s0～$s7	$16～$23	一時変数（呼び出し先が保存必須）
$t8～$t9	$24～$25	一時変数（呼び出し先が保存不要）
$k0～$k1	$26～$27	OSカーネル専用
$gp	$28	グローバルポインタ
$sp	$29	スタックポインタ
$fp	$30	フレームポインタ
$ra	$31	リターンアドレス

メモリ管理ユニット（MMU）と例外処理を担うコプロセッサCP0を内蔵し、64エントリのTLBで仮想アドレス変換を行った。コプロセッサは最大4基まで接続可能で、CP1にはFPUR3010 を割り当てた。この空きコプロセッサ領域が、後にPlayStationのGTE実装に活用されることになる。

CISC（Complex Instruction Set Computer）は、1個の命令で複雑な処理を行える代わりに命令の種類が多く、解読（デコード）に時間がかかる設計思想である。代表例はインテルの8086 や80286 である。

対してRISC（Reduced Instruction Set Computer）は、命令を単純化・固定長化し、演算をレジスタ間に限定することでパイプライン処理を効率化する設計思想である。R3000 はこの思想を徹底し、1命令1サイクルに近い実行効率を実現した点が高く評価された。

性能面でも差は明白だった。同時期のインテル製80386 は25MHz動作時で約7MIPSにとどまり、1命令の実行に平均4.4クロックを要した。一方、同じ25MHzのR3000 は約20MIPSを記録し、クロックあたりの処理効率でおよそ3倍の差があった。

⑨ GPU/SONY CXD8514Q
⑩ CPU/SONY CXD8530AQ
⑪ 4Mb EDO DRAM/Samsung KM48V5148J-6×4

1994年（平成6年）末から始まった家庭用ゲーム機の32ビット戦争では、ARM 系CPUを採用した3DO や、日立製SH-2 を2基搭載したセガサターン が競合した。R3000A とGTEを組み合わせた実効ポリゴン描画性能は、サターンの公称約90万ポリゴン/秒に対しPlayStationは約150万ポリゴン/秒とされ、優位に立った。3DOはテクスチャマッピングにも難があり、性能面で見劣りした。

仕事で NEWS を使っており、その後に PlayStation を購入したのだが、互換チップとはいえ、こんなに早いタイミングでワークステーション用CPUが自宅に来るとは思わなかった。

1996年（平成8年）発売のNINTENDO64 は、理論値でR3000Aの約4倍にあたるR4300i（93.75MHz、64ビット）を採用し、単純な演算性能ではPlayStationを大きく上回った。しかし、メモリバス幅の狭さとテクスチャキャッシュの小ささが足かせとなり、実際のゲーム画面ではその性能を十分に発揮できなかった。

CD-ROMによる低コストなソフト供給と、実用上十分な3D性能を両立させたPlayStationは、1996年度時点で国内出荷台数がセガサターンを約180万台上回るなど、次世代ゲーム機戦争における最終的な勝者となった。

2000年（平成12年）発売の後継機PlayStation 2でも、R3000A は初代機との互換性を保つための入出力プロセッサ（IOP）として引き続き採用された。メインCPUは新開発の「Emotion Engine」に置き換わったが、R3000 系の設計はソニーのゲーム機の中に長く残ることになった。

R3000 搭載機の一部では、マイクロソフトのWindows NT も動作した。Windows NT 3.1の初期ビルドはMIPS Magnum R3000上での動作が確認されており、後継のR4000 世代では正式にサポートされた。ただし、MIPSアーキテクチャへの対応はWindows NT 4.0を最後に打ち切られている。

開発元のMIPS Computer Systemsは1992年（平成4年）にシリコングラフィックス に買収され、1998年（平成10年）にMIPS Technologies として独立した。2013年（平成25年）には英Imagination Technologies の傘下に入り、その後Tallwood Venture Capitalやウェーブ・コンピューティングへと所有者が変遷した。

2020年（令和2年）、経営破綻したウェーブ・コンピューティングの技術を継承する形でMIPS社が再出発したが、この際MIPSアーキテクチャ自体の開発は終了し、RISC-V ベースの製品開発へ方針転換した。そして2025年（令和7年）8月、半導体受託製造大手のGlobalFoundries がMIPSを買収し、傘下の一事業として設計・ライセンス事業を続けている。

項目	仕様
メーカー	MIPS Computer Systems
発表	1988年6月
製造プロセス	1.2μm CMOS
トランジスタ数	約115,000
チップ面積	56mm2
データ幅	32ビット
汎用レジスタ	32ビット×32本
パイプライン	5段
外部キャッシュ	命令・データ各最大256KB
CPUクロック	20～40MHz（主に30/33MHz）
コプロセッサ	最大4基（MMU/FPUなど）
動作電圧	5V単一

発表年	メーカー	CPU名	ビット数	最大クロック
1970年	Garrett AiResearch	MP944 (軍用)	20bit	375KHz
1971年	インテル	4004	4bit	750KHz
1974年	インテル	8080	8bit	3.125MHz
1975年	モステクノロジー	MOS 6502	8bit	3MHz
1976年	ザイログ	Z80	8bit	20MHz
1978年	インテル	8086	16bit	10MHz
1979年	モトローラ	MC6809	8bit	2MHz
1979年	ザイログ	Z8000	16bit	10MHz
1980年	モトローラ	MC68000	16bit	20MHz
1983年	NEC	V30	16bit	16MHz
1984年	インテル	80286	16bit	12MHz
1985年	インテル	80386	32bit	40MHz
1985年	インテル	i960	32bit	100MHz
1985年	サン・マイクロシステムズ	SPARC	32bit	150MHz
1985年	エイコーン	ARM1	32bit	6MHz
1986年	MIPS	R2000	32bit	15MHz
1987年	ザイログ	Z280	16bit	12MHz
1987年	モトローラ	MC68030	32bit	50MHz
1988年	MIPS	R3000	32bit	40MHz
1989年	インテル	80486	32bit	100MHz
1989年	インテル	i860	32bit	50MHz
1990年	モトローラ	MC68040	32bit	40MHz
1991年	MIPS	R4000	64bit	200MHz
1992年	DEC	Alpha 21064	64bit	200MHz
1993年	IBM, モトローラ, Apple	PowerPC 601	32bit	120MHz
1993年	インテル	Pentium	32bit	300MHz
1994年	IBM, モトローラ, Apple	PowerPC 603	32bit	300MHz
1995年	サイリックス	Cyrix Cx5x86	32bit	133MHz
1995年	AMD	Am5x86	32bit	160MHz
1995年	サン・マイクロシステムズ	UltraSPARC	64bit	200MHz
1999年	IBM, モトローラ	PowerPC G4	32bit	1.67GHz
1999年	AMD	Athlon	32bit	2.33GHz
2000年	インテル	Pentium 4	32bit	3.8GHz
2001年	インテル	Itanium	64bit	800MHz
2003年	AMD	Opteron	64bit	3.5GHz
2003年	インテル	Pentium M	32bit	2.26GHz
2006年	SCE,ソニー,IBM,東芝	Cell	64bit	3.2GHz
2006年	インテル	Core Duo	32bit	2.33GHz
2006年	インテル	Core 2 Duo	64bit	3.33GHz
2008年	インテル	Core i9/i7/i5/i3	64bit	5.8GHz
2017年	AMD	Ryzen	64bit	5.7GHz
2020年	Apple	M1/M2/M3/M4/M5	64bit	3.49GHz
2023年	インテル	Core Ultra 9 / 7 / 5	64bit	5.1GHz

• PlayStation発売：ぱふぅ家のホームページ
• GlobalFoundries Completes Acquisition of MIPS：MIPS