CPUとプロセッサ

要点と定義

CPUは命令を実行する処理装置です。クロック信号はCPUの動作タイミングを合わせる周期的な信号で、周波数はHzで表します。1 GHzは毎秒10億回の信号を意味します。同じ構造のCPUでは、クロック周波数を上げると処理速度が向上する傾向があります。周波数は命令数や総合性能そのものではありません。

コアはCPU内で演算処理を担う中核部分です。デュアルコアは2個、クアッドコアは4個のコアを持ちます。複数のコアを使う並列処理では、一連の処理を同時に実行できる単位に分けて複数のプロセッサで実行します。

キャッシュメモリはCPUと主記憶の間でデータへのアクセスを速める記憶装置です。一次・二次はキャッシュの階層を表し、容量の順位ではありません。通常、一次キャッシュの方が二次キャッシュよりCPUコアに近い位置にあります。レジスタはCPU内部の高速・小容量の記憶回路で、演算や制御に関わるデータを一時的に保持します。

GPUは画像処理などを高速に実行する演算装置です。多数の演算を並列に行えるため、AIの大規模な計算にも利用されます。

CPUのビット数は一度に扱えるデータ幅などに関係します。64ビットCPUは理論上、32ビットCPUより広いメモリ空間を扱えます。性能が一定周期で倍増する条件では、目標倍率を2の累乗で表すと必要な倍増回数を求められます。

適用条件と例

同じ構造のCPU同士なら、周波数が高い方が処理速度も高くなる傾向を比較の手掛かりにできます。ただし、周波数だけで実際の性能を決めることはできません。コア数を増やしても、処理を同時実行できる単位に分けられることが並列処理の条件です。単一の処理が必ずコア数に比例して速くなるわけではありません。

ターボブーストは、発熱量や消費電力に余裕があるとき、CPUコアの動作周波数を引き上げる技術です。余裕がある場合に周波数を上げるので、常に引き上げる技術ではありません。

倍増の計算例です。ある装置の性能が2年ごとに倍増し、現在の32倍が必要だとします。32＝2⁵なので、必要な倍増は5回です。5回×2年で、10年後となります。

誤りやすい点

GHzはクロック信号の周波数で、CPUが処理する命令数や総合性能を直接示す値ではありません。32ビット・64ビットも処理速度の表記ではありません。64ビットCPU搭載PCで32ビットOSが動作する場合があり、USBメモリの読み書き速度もCPUのビット数だけでは決まりません。

キャッシュは容量が少ないほど速いとはいえません。一次・二次は階層を示し、通常は一次キャッシュの方がCPUコアに近い位置にあります。レジスタはCPU内部の記憶回路ですが、主記憶はCPU内部にある回路ではありません。