CPU・プロセッサ

CPU・クロック・コア・IPC・キャッシュ・パイプライン・RISC/CISC・GPU/TPUを会話でやさしく整理。

編集・検証: ITパスポートスタディ編集部 公式情報: IPA ITパスポート試験公式ページ 制作・検証方針

コンピュータの頭脳「CPU」。クロック周波数・コア・キャッシュ・パイプライン・RISC/CISCまで、性能を左右する仕組みをやさしく整理します。

星見 めい(普段) 星見 めい

CPUって、要はパソコンの脳みそってこと?

紫垣 こはる 先生(笑顔) 紫垣 こはる 先生

いい例えね。
CPUはコンピュータの中核よ。
やっていることは、命令を取り出す→意味を読み解く→実行する、この繰り返しなの。

蜂谷 まこと(普段) 蜂谷 まこと

補足すると、その流れは「フェッチ(取り出し)」「デコード(解読)」「実行」と呼ばれます。
CPUはこのサイクルを1秒間に何億回も回しているんですね。

小夜川 ほのか(びっくり) 小夜川 ほのか

何億回…って、どれくらい速いのか想像できないですぅ。

紫垣 こはる 先生(普段) 紫垣 こはる 先生

その速さの目安がクロック周波数よ。
CPUは「クロック」というリズムに合わせて動いていて、3GHzなら1秒間に30億回も拍を刻むの。

星見 めい(笑い) 星見 めい

30億回!
じゃあGHzが高いほど速いってことじゃん。

紫垣 こはる 先生(普段) 紫垣 こはる 先生

昔はそう言えたんだけど、今は単純には比べられないのよ。
同じクロックでも、コアの数や1拍でこなせる仕事量で差が出るの。

蜂谷 まこと(普段) 蜂谷 まこと

その「コアの数」がコアです。
今は1つのCPUに複数のコアを持つマルチコアが主流で、4個なら「クアッドコア」と呼びます。

星見 めい(笑い) 星見 めい

料理人が4人いるキッチンみたいな感じ?
同時に別の料理を作れるじゃん。

紫垣 こはる 先生(笑顔) 紫垣 こはる 先生

ふふ、まさにそれよ。
ただし手分けできない仕事だと、料理人が増えても1人ぶんしか働けないの。
並列にできる処理ほどマルチコアが効く、と覚えてね。

蜂谷 まこと(普段) 蜂谷 まこと

性能の目安は、1拍あたりの仕事量を表すIPCも合わせて、おおよそ「クロック周波数×コア数×IPC」の掛け算でイメージするといいですよ。

小夜川 ほのか(普段) 小夜川 ほのか

ところで、CPUの近くによくある「キャッシュ」って何なのぉ?

紫垣 こはる 先生(笑顔) 紫垣 こはる 先生

いい質問。
キャッシュメモリはCPUのすぐそばに置く小さな高速メモリよ。
よく使うデータを手元に置く「作業机の上」みたいなものね。
遠い倉庫が主記憶にあたるの。

星見 めい(笑い) 星見 めい

わかる!
毎回遠い倉庫まで取りに行くより、机の上にあるほうが速いってことだよね。

蜂谷 まこと(普段) 蜂谷 まこと

その通りです。
キャッシュはL1・L2・L3の3階層で、L1が最速・最小、L3が最も遅く大容量。
速いメモリは高価で大量には積めないので、速度と値段のトレードオフで段階的に並べているんですね。

蜂谷 まこと(普段) 蜂谷 まこと

CPUを速くする工夫もあります。
命令を流れ作業で重ねるパイプラインや、複数命令を同時に実行するスーパースカラです。

星見 めい(笑い) 星見 めい

流れ作業って、牛丼屋で「ごはん盛る人・肉のせる人・会計する人」で分担するやつ?
それなら行列がはけるじゃん。

紫垣 こはる 先生(笑顔) 紫垣 こはる 先生

ぴったりの例えね。
その流れを止めない工夫が分岐予測よ。
「if文でどっちに進むか」を先読みして、当たれば流れが途切れないの。

蜂谷 まこと(普段) 蜂谷 まこと

設計の方向性として、命令を絞ってシンプルにしたRISCと、複雑で多機能な命令を持つCISCという分け方も試験に出ます。

星見 めい(普段) 星見 めい

iPhoneとかスマホのチップはRISCのほうだよね?
でもどっちがどっちか覚えにくいんだよね。

紫垣 こはる 先生(笑顔) 紫垣 こはる 先生

そう、スマホのARM系はRISCで省電力が持ち味。
パソコンやサーバに多いIntel・AMDのx86系はCISCね。
電池で動くか、コンセントで動かすか、で向き不向きが分かれるイメージよ。

蜂谷 まこと(普段) 蜂谷 まこと

覚え方は「RISCはReduced(減らした)でシンプル、CISCはComplex(複雑)」。
RISC=ARM=スマホ、CISC=x86=パソコン、とセットで結びつけると迷いませんよ。

紫垣 こはる 先生(笑顔) 紫垣 こはる 先生

最後に用途特化のプロセッサも。
画像処理や大量の並列計算が得意なGPU、AI計算に特化したTPUね。
AI時代はこの並列処理力がますます重要なのよ。

小夜川 ほのか(笑顔) 小夜川 ほのか

CPUは賢い少人数、GPUは単純作業の大人数…って感じで覚えますぅ。

紫垣 こはる 先生(笑顔) 紫垣 こはる 先生

完璧な整理ね。
CPUは命令の頭脳、性能はクロック・コア・IPCの掛け算、速さの工夫はキャッシュとパイプライン。
ここを押さえれば本番でも迷わないわ。

確認クイズ

CPU と主記憶(メインメモリ)の間に置かれる、小容量だが高速なメモリを何と呼ぶか。

  1. レジスタ
  2. キャッシュメモリ
  3. ハードディスク
  4. SSD
こたえを見る

正解: 2. キャッシュメモリ

正解はキャッシュメモリです。CPUと主記憶の間に置き、よく使うデータを一時保存することで遅いメモリアクセスを減らし、L1からL3の階層を持ちます。レジスタはCPU内部にある最も小さく速い記憶領域で、主記憶との間に置くものではありません。ハードディスクやSSDはデータを長期保存する補助記憶装置で、主記憶よりさらに遅く、用途が異なります。

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