CPUは、コンピュータの頭脳としてすべての計算処理を担う非常に重要な半導体チップです。このページでは、CPUの基本的な仕組みから、その性能を測る指標、進化の歴史までを詳しく解説します。
CPU（Central Processing Unit）は、コンピュータのハードウェアやソフトウェアからの命令を解釈し、実行する中心的な電子回路です。日本語では「中央演算処理装置」と呼ばれます。まるで人間の「脳」のように、コンピュータ全体の動作を制御し、あらゆる計算処理を高速に行います。
CPUは、プログラムの命令を一つずつ読み込み、実行するというサイクルを繰り返しています。そのプロセスは、主に以下の3つのステップに分けられます。
CPUの内部は、これらの処理を効率的に行うために、複数のブロックに分かれています。
これらの処理を少しでも高速化するため、現代のCPUでは複数の命令を同時に実行する「パイプライン処理」や、予測実行など、様々な技術が導入されています。
CPUは非常に複雑な構造をしていますが、特に重要な構成要素は以下の通りです。
これらの部品が連携して動作することで、CPUは膨大な量の情報を高速に処理し、コンピュータを動かしています。
CPUの性能は一つの指標だけでは測れませんが、主に以下の要素が重要視されます。
現代のCPUを理解する上で、コアとスレッドは不可欠な概念です。これらは、CPUが一度に複数のタスクを処理する能力を高めるための技術です。
例えるなら、コアは「料理人」、スレッドは「料理人が同時に作れる料理の数」です。マルチコアは「複数の料理人を雇う」ことで、マルチスレッドは「一人の料理人が複数の料理を同時進行で作るスキルを身につける」ことに相当します。
CPUアーキテクチャ（CPU Architecture）とは、CPUの基本的な設計思想や、ソフトウェアとの間でやり取りされる命令の形式（命令セット）を定めたものです。同じアーキテクチャを持つCPUは、同じ命令セットで動作するソフトウェアを実行できます。異なるアーキテクチャでは、同じソフトウェアをそのまま実行することはできません。
ISAは、CPUが理解できる命令の種類と形式を定義したものです。コンピュータのプログラムは、この命令セットに従って記述されることで、CPUが理解できる形になります。
CISCとRISCは、CPUが命令をどのように実行するかという、根本的な設計思想が対照的です。それぞれの頭文字がその特徴をよく表しています。
例えるなら、CISCは「多機能な万能ナイフ」、RISCは「専門的な複数の調理器具セット」です。万能ナイフは1つで複数の役割を果たしますが、細かな作業には向かないかもしれません。一方、調理器具セットは、それぞれの道具が特定の役割に特化しているため、作業全体としてはより速く、効率的に進められる可能性があります。
| 項目 | CISCの特徴 | RISCの特徴 |
|---|---|---|
| 命令セット |
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| プログラムのサイズ |
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| 制御方式 |
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| 処理速度 |
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| 開発と製造 |
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| 主な例 |
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初期のコンピュータでは、メモリが非常に高価だったため、コードサイズを短くできるCISCが有利でした。しかし、パイプライン処理などの技術が進化した現代では、命令が単純で高速に処理できるRISCが、特にモバイル機器で優位に立っています。
現在では、CISCもRISCの技術（パイプライン処理など）を取り入れたり、RISCも性能向上のために命令数を増やしたりしており、両者の違いは以前ほど明確ではなくなっています。
CPUアーキテクチャの歴史は、CISCとRISCの思想のぶつかり合いと、それぞれの時代の要件に合わせた進化の歴史です。
この時代は、各メーカーが独自のアーキテクチャを開発し、激しい競争を繰り広げていました。
PC市場が拡大し、Intelのx86アーキテクチャが圧倒的なシェアを確立しました。一方で、省電力性能が求められる新しい分野でRISCアーキテクチャが台頭し始めます。
x86とARMが市場を二分する中、新しい波が生まれています。
各アーキテクチャは、それぞれの強みを活かしながら、PC、モバイル、サーバー、組み込み機器といった様々な分野で進化を続けています。
ムーアの法則（Moore's Law）は、インテル社の共同創業者であるゴードン・ムーアが1965年に提唱した、半導体の性能に関する経験則です。半導体チップ上に集積されるトランジスタの数は、約2年ごとに2倍になるというものです。
この法則が約50年もの間、コンピュータの性能向上を支えてきたことで、私たちが使うパソコン、スマートフォン、そしてサーバーの性能が飛躍的に進化しました。しかし、近年では物理的な限界が近づき、そのペースは鈍化しつつあります。
半導体の製造技術がナノメートル（10億分の1メートル）レベルに達したことで、以下のような物理的な限界に直面しています。
ムーアの法則の限界を乗り越えるため、半導体業界は「**ポスト・ムーア時代**」へと移行しています。複数のコアを搭載するマルチコア化、3次元的に積み重ねる3D構造、高性能な半導体をタイル状に並べるチップレット技術など、新しいアプローチで性能向上を目指しています。
CPUが進化し、性能が向上するにつれて、より効率的な冷却技術が不可欠になりました。冷却技術の歴史は、CPUの進化と密接に関わっています。
冷却技術は、CPUの性能向上を支える上で不可欠な要素です。CPUの進化と並行して、その発熱量をいかに効率的に抑えるかという挑戦は続いています。
トランジスタ（Transistor）は、CPUを含むあらゆる電子機器の基礎となる、半導体でできた非常に小さな電子部品です。その最も基本的な役割は、電気信号の「スイッチ」として機能することです。
現代のCPUには、**数十億個から百億個以上**ものトランジスタが搭載されています。例えば、AppleのM2 Ultraチップには、約1,340億個のトランジスタが使われています。
CPUの性能向上の歴史は、トランジスタをいかに小さく、より多く集積するかという**微細化**の歴史でもあります。
トランジスタの微細化は物理的な限界に近づいており、現在は新しい素材や、3D構造のトランジスタ（FinFETなど）を導入することで、さらなる性能向上を目指しています。
トランジスタの微細化は、半導体製造における**プロセスルール（製造プロセス）**の進化によって実現されてきました。プロセスルールは、チップ上の回路の最小線幅を示す指標で、ナノメートル（nm）単位で表されます。この数値が小さいほど、より多くのトランジスタをチップ上に集積できます。
FinFET技術も物理的な限界に近づく中、より微細なプロセスルールへの移行が進んでいます。FinFETでは、3つの面でしか電流を制御できませんでしたが、さらに優れた制御を行うため、新たな構造が求められました。
GAAFETは、ムーアの法則の限界をさらに押し広げ、今後のAIやデータセンター、モバイル機器の性能向上に不可欠な技術です。
プロセスルールは、技術的な進化の指標として重要ですが、現在ではメーカーごとに名称の定義が異なっており、単純に数値だけで性能を比較することは難しくなっています。
CPUの歴史は、その性能と集積度が指数関数的に向上してきた歴史そのものです。
CPUは、その性能と電力効率に応じて、様々なデバイスに使い分けられています。
CPUの処理速度は、クロック周波数だけでは決まりません。一つの命令を実行するのに必要なクロック数と、1秒あたりの命令実行数も重要です。
CPUの性能は、単にクロック周波数が高いだけでなく、1クロックでより多くの命令を処理できる**IPCの高さ**も非常に重要です。このIPCを向上させるために、CPUメーカーは日々、内部構造の最適化や新しい技術開発を行っています。
例えば、クロック周波数が3.0GHzでIPCが1.5のCPUは、$3.0 \times 1.5 = 4.5$という相対的な性能指標を持つと考えることができます。単純にクロックが高いだけでなく、IPCも高めることで、CPUは飛躍的に性能を向上させてきました。
A1: CPUは、内部のトランジスタがオン・オフを高速で切り替えることで処理を行っています。この電気信号の切り替え時に抵抗が生じ、熱が発生します。処理量が増えるほど発熱量も増えるため、効率的な冷却システムが不可欠です。
A2: どちらのCPUにも強みがあります。一般的に、ゲームやクリエイティブ作業など特定の高負荷なタスクにはIntel、多くの作業を並行して行うマルチタスクにはAMD Ryzenが強みを発揮することが多いですが、両社の競争によって性能差は常に変動しています。用途や予算に合わせて、最新の情報を参考に比較検討するのが良いでしょう。
A3: CPUの世代は、新しい技術や設計を取り入れた製品の区分のことで、通常はナンバリングで示されます（例: Intel Core i7-13700の「13」）。新しい世代になるほど、クロック周波数の向上や、IPCの改善、電力効率の向上など、様々な面で性能が進化しています。