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。
CPUって、要はパソコンの脳みそってこと?
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。
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。
何億回…って、どれくらい速いのか想像できないですぅ。
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。
30億回!
じゃあGHzが高いほど速いってことじゃん。
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。
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。
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。
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。
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。
ところで、CPUの近くによくある「キャッシュ」って何なのぉ?
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
- レジスタ
- キャッシュメモリ
- ハードディスク
- 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。