CPU・マイクロプロセッサのガイド

CPUやマイクロプロセッサーというと、主にワークステーションPCのイメージが強いが、現在では様々な技術や電子機器が、これらのコアコンポーネントを使って機能したり、ソフトウェアを実行したりしている。パソコン以外のシステムや機器に使用されるマイクロプロセッサーの購入には、オンラインで幅広いメーカー、製品、価格を見つけることができます。

当社は、Broadcom Pi、マイクロチップ、NXP、ルネサスエレクトロニクス、シーズスタジオやZilogのような主要マイクロプロセッサーメーカーの製品を提供しています。このガイドでは、使用目的に応じたCPUの選び方を含め、CPUやマイクロプロセッサーのさまざまなポイントを解説します。

また、CPUやマイクロプロセッサーとは何か、それらの違いは何か、そしてどのように機能するのかという基本的なことを説明します。このガイドを読み終えれば、マイクロプロセッサーをオンラインで購入する際に考慮すべきいくつかのポイントと、目的のアプリケーションに最適なCPUを選択する方法がわかるようになります。

このガイドでは、デスクトップパソコンやノートパソコンに搭載されているチップを例に挙げて説明しています。CPUやマイクロプロセッサーの形状や機能の一般的な原理は、搭載するすべての種類の電子機器に共通しています。

CPUとは何ですか？

まず、CPUとは何かを明確にすることで、マイクロプロセッサーとの関係をより深く理解することができます。CPUとは、Central Processing Unitの略で、中央演算処理装置と書いたり、単にプロセッサと書いたりすることもあります。

CPU（プロセッサー）は、小さいながらも非常に重要な電子回路であり、コンピュータのハードウェア全体を操作・制御します。デスクトップPCやラップトップPCなど、CPUを必要とするあらゆる電子機器のシステムの頭脳と考えてよいでしょう。

確かに、プロセッサをシステムの頭脳と考えると、「なぜコンピュータにはCPUが必要なのか」という一般的な疑問に答えることができます。

CPUは、コンピュータが実行可能なすべての操作とプログラムを実行する役割を担っています。デバイスのコアとなる算術、論理、入出力の機能をすべて処理します。

CPUが搭載されるまでは、他のシステムコンポーネントはそれぞれの役割を果たしたり、相互に通信したりすることはできません。PSU (パワーサプライ)のような他のハードウェアが接続されていてもRAMが接続されていても、別のグラフィックスカードやハードドライブのようなハードウェアが接続されていても、それらを制御するCPUがなければ、事実上、利用することはできません。

しかし、CPUはコンピュータの重要な構成要素ではあるが、それはコンピュータのコア回路のほんの一部に過ぎない。CPUと他のシステムとの間で完全な通信を行うためには、他の多くの種類の回路が必要となります。

従来は、物理的なスペースや配電の制限から、これらを別々に収納する必要がありました。しかし、マイクロテクノロジーの進歩により、最近のCPUダイは大幅に小型化されています。その結果、現在ではマイクロプロセッサーと呼ばれる1つの集積回路（IC）の中に、他の重要な回路と一緒に組み込まれて配置されるのが一般的になっています。

マイクロプロセッサとは何か、CPUとの関係は？

現在、家庭やオフィスで使用されている一般的なPCでは、CPUは他の主要な回路と一緒に1つのチップの中に収められています。これは他の多くの電子機器やシステムにも当てはまります。

このシングルチップは通常、マイクロプロセッサー（またはロジックチップ）と呼ばれている。マイクロプロセッサーには、他にも多数のトランジスタや回路、部品が搭載されており、それぞれがシステム内のさまざまな主要機能を処理するように設計されている。

そのため、マイクロプロセッサーはLSIの一種である。最近のCPUは、このように1チップのLSIに内蔵されていることが多いため、CPU・マイクロプロセッサーは同じ意味で使われている。現在ではほとんどのCPUがマイクロプロセッサとして提供されているが、すべてのマイクロプロセッサがCPUであるわけではないことに注意したい。

マイクロプロセッサーICには、ディスクリートGPU（グラフィックス・プロセッシング・ユニット）などの回路も搭載されています。例えば、最近のコンピューターの多くは、専用のグラフィックカードを使用して、レンダリングやディスプレイ出力をセントラルプロセッサーの外部で処理しています。これらのグラフィックスカードにもマイクロプロセッサーICが搭載されているが、そのコアにはCPUではなくGPUが使われている。

つまり、マイクロプロセッサーには、CPUのほかに、複数のシステム処理を行うためのトランジスタや回路が搭載されている場合と、そうでない場合があるということです。CPUが搭載されている場合、マイクロプロセッサはCPUがコンピュータの他のハードウェアと直接通信するための経路を提供します。

SOC(システムオンチップ)

CPUを搭載したマイクロプロセッサをSOC（System-on-Chip）と呼ぶことがある。SOCには、他にもメモリや周辺機器のインターフェースなど、さまざまな主要部品が搭載されており、機器のシステム全体で機能やプログラムを実行することができます。このように多機能であることから、マイクロプロセッサーは、小型で複雑でない電子機器や、最新のコンピューターのようなスタンドアローンでの使用に適しています。

マイクロプロセッサは、同様の原理を縮小したマイクロコントローラと混同しないように注意が必要である。マイクロコントローラーは、より限定されたチップであり、単一の基本機能を繰り返し実行するようにプログラムされた機器によく見られる。

マイクロプロセッサ・アーキテクチャ

マイクロプロセッサーを設計・製造する場合、1つのICで実現できる全体の複雑さには一定の限界があります。それは、トランジスタの使用可能なスペース、他のシステム部品とのパッケージの終端（接続）数、発生する電気熱の放熱量などです。

現代のIC技術は、1つのマイクロプロセッサーで、従来よりもはるかに複雑なシステムオンチップ（SOC）の組み立てを可能にしています。これは8ビットCPUと16ビットCPUから今日のフル32ビットと64ビットへと急速に進歩しました。また、従来は外部のソフトウェアを使用しなければならなかったハードウエアの動作を完全に組み込むことができます。

また、プロセッサのダイ・シュリンク化が進み、同一IC上に他の部品を多数搭載できるようになりました。CPUのキャッシュメモリ用のトランジスタや追加のコントローラは、複雑な命令やデータセットの処理や検索をより高速に行うことができます。

同様に、民生用のマルチコアプロセッサーとして設計されたCPUも広く普及しています。これは、複数のプロセッサコア（複数のCPU集積回路）を持つ強力なマイクロプロセッサーです。これにより、同じ消費電力と温度（TDP：Thermal Design Power）であれば、従来よりも多くの機能を同時に実行することができます。

CPUの歴史

一般的なデスクトップPCやノートPCに搭載されているコンシューマー向けのCPUといえば、Intel CoreとAMDの2大メーカーであり、現在最も身近な存在である。インテルCoreのデスクトップCPUには、i3、i5、i7、i9といった様々な世代のチップが広く使われており、AMDのデスクトップCPUには、AthlonシリーズやRyzenシリーズ（最新世代はRyzen 5000）等があります。

しかし、CPUは1940年代後半から何らかの形で存在していました。初期のプロセッサーは、真空管やリレーなどのスイッチングデバイスを何千個も組み合わせて作られており、現在のデスクトップ型プロセッサーとは全く異なるものでした。

非常に初期のバージョン（有名なマンチェスター・ベビーを含む）は、ストアド・プログラム・コンピュータとして機能していました。その後、1950年代から1960年代にかけてトランジスタ式のCPUが開発されたが、1960年代後半に初期のICが開発されてからは、小型・大規模な集積型のCPUへと移行していった。

最初の本格的なマイクロプロセッサー技術は、1971年にインテル社が開発したシングルチップタイプのものだった。1975年になると、マイクロプロセッサーの進歩の傾向が観察され、業界特有の経験則である「ムーアの法則」が生まれた。これは、1つのICに搭載できる部品（トランジスタ）の数が、毎年約2倍になるというものである。

この法則は、素粒子の微細化が不可能であることから、いずれ誤りであることが証明されるはずだが、現在までほぼ正確に保たれている。つまり、現代のプロセッサーは、現在に至るまで指数関数的な発展を続けているのである。

興味深いことに、この数十年間でマイクロプロセッサのアーキテクチャや複雑さ、製造方法が大きく進歩したにもかかわらず、現代のCPUのコアデザインと機能は前世代とほとんど変わっていません。つまり、フェッチ、デコード、実行という一連の基本的な命令サイクルに基づいて動作しているのである。しかし、ダイサイズの縮小、メモリコントローラの改良、CPUキャッシュの増加などにより、これらのステップをこれまで以上に高速に実行できるようになりました。

CPUベンチマーク

CPUベンチマークとは、パフォーマンステストの一種です。通常は、チップの動作能力に関する重要なデータを明らかにするために実施されます。ベンチマークは、さまざまな主要CPU性能指標を検証したり、紹介したりするために、IT業界で広く使用されています。

ベンチマークでは、マイクロプロセッサーに一連の合成耐久テストとスピードテストを行います。これは、意図的に高負荷をかけ続けることで、CPUにストレスを与えるように設計されたプログラムです。ほとんどのエンドユーザーは、通常の使用時に周期的な需要の急増を経験するだけなので、このようなテストはしばしばシンセティックと呼ばれます。

シリコンやチップアーキテクチャ、エレクトロニクスにはさまざまな固有の特性があるため、正確なベンチマークを行うことは非常に困難です。実際に商業的または科学的に使用するためには、厳密に制御され、厳密に監視された条件下で複数回のテストを行う必要があります。

ベンチマークの結果は、正しく実施されていれば、異なるマイクロプロセッサブランドやCPUアーキテクチャを絶対的なピーク性能の観点から比較するのに有効な手段となります。対照的に、競合他社のベンチマーク結果では、結果を向上させるためにコンポーネントをオーバークロック（規定以上の電圧を強制的に適用カしてベースクロックを上げる。処理速度が速くなる半面、故障や損傷のリスクがあります。）することがあります。

このようなシナリオでは、生の計算速度以外の重要な検討事項が無視されることがよくあります。そのため、CPUを選択・購入する際には、このようなテストを他の要因と合わせて考慮する必要があります。製品全体の信頼性や、通常の負荷での性能に対する価値は、ベンチマークの数値よりも常に優先されるべきです。

CPUの選び方

自分のニーズに合ったプロセッサーを選ぶには、バランスが重要になります。自分が必要とする性能とコストのバランスを取り、マイクロプロセッサーの選択とデバイスやシステムの他のコンポーネントとのバランスを取る必要があります。

この2つは、ユーザーによって意味が異なりますが、常に目的が何かということに帰着します。自分が実現しようとしていることに対して、最も適したマイクロプロセッサーは何か？

CPUに求められるもの

まず、そのシステムで何をする必要があるのかを考えます。基本的なタスクを処理するために、16コア、32コア、あるいは64コアの非常に強力なCPUコンポーネントを購入する意味はあまりありません。一方で、CPU負荷の高いジョブを迅速に処理する必要がある場合には、初期投資が長期的に利益をもたらす可能性があります。例えば、データ分析や大量のインデックス作成など、マルチスレッドのパフォーマンスが直接役立つアプリケーションがあります。

次に、機器やシステムを構成する他のコンポーネントを考慮します。CPUの価格、性能、消費電力などのバランスを考慮する必要があります。ここで避けなければならないのは、ボトルネックになること、つまりある部品の性能を他の部品で著しく制限することです。

例えば、ローエンドのCPUは、強力なGPUに追いつくのに時間がかかるかもしれません。これはボトルネックの一例であり、弱いコンポーネントが強いコンポーネントを抑制する場合もあります。どんなコンピュータでも、特定のタスクを実行するには、チェーンの中で最も弱いリンクの能力を最大限に発揮しなければなりません。

ニーズとシステムに最適な価値のあるCPUを見つけるためには、このことを念頭に置くことが重要です。どれかひとつの部品の性能が極端に制限されるようなアンバランスな状態は避ける必要がります。そのため、速度や性能がより似通ったものを選ぶようにしましょう。