CPUとはどんなものなのか？細かく解説していく

2023年4月18日

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こんにちは！TITANです。
今回はCPUはどんな存在で役割をしているのか

CPUとは、コンピューターシステムの中で、主に演算処理や制御処理を担当する中央演算処理装置（Central Processing Unit）のことを指します。

CPUは、コンピューターの命令を解釈し、実行することで、データの処理やコンピューターシステムの制御を行います。

簡単に言えば、CPUは人の脳と一緒

CPUを深く解説するとまた、専門的な解説になってしまうので、簡単な例えを説明をしていくと。
人で言う、脳みその役割をしています。

人も何かをする際にいろいろ決断をしていきますよね？
その人の決断などを決定する際に脳みそもCPUも一緒で他の動作に命令する役割をしています。

ただ、CPUの場合は決断回数などが人違い上限などないので、よりたくさんの決断をしていくことが可能です。
人の意思決定が35000回までと限られるので大量の単純作業とかはCPU等が向いていることがわかりますね。

CPU（中央演算処理装置）は、コンピューターの重要なコンポーネントであり、主に以下6つの機能を持っています。

命令の解釈：CPUは、メモリに格納されたプログラムを読み込み、命令を解釈して実行します。
算術演算：CPUは、数値の演算を実行することができます。これには、加算、減算、乗算、除算などの演算が含まれます。
論理演算：CPUは、論理演算（AND、OR、NOTなど）を実行することができます。
これらの演算は、データの処理や、コンピューターシステムの制御などに使用されます。
メモリの読み書き：CPUは、メモリからデータを読み込み、書き込むことができます。
これは、プログラムやデータの取り扱いに必要です。
分岐制御：CPUは、条件分岐に基づいてプログラムの実行パスを変更することができます。これは、条件によって異なる処理を実行する必要がある場合に使用されます。
クロック制御：CPUは、クロック信号に基づいて内部の動作を制御します。クロック信号の周波数を変更することで、CPUの動作速度を変更することができます。

これらの機能に加えて、現代のCPUには、仮想化、並列処理、暗号化、AIなどの機能が含まれる場合があります。
なお、、CPUのアーキテクチャ、クロック速度、キャッシュサイズ、コア数などが、CPUの性能に影響を与える要因となります。

CPUは、コンピューターの重要なコンポーネントの一つで、一般的には非常に小さいです。

CPUは、集積回路技術を使用して製造され、通常は1平方センチメートルあたり何十億ものトランジスタを含んでいます。CPUのサイズは、製造プロセスやアーキテクチャ、機能などによって異なりますが、一般的には1cm x 1cmから3cm x 3cm程度のサイズになります。

人間の脳みそだと10センチもあるとなるとかなり小さいことがわかる

CPUの小さなサイズは、高速で効率的な処理を実現するために重要です。

グリーンリーブ

だから、インテルとかAMDとかは○nmとかで毎回毎回数字を小さくして技術革新性で売れるように技術性アピールしているんだ

小さなサイズは、電気信号がより短い距離を移動するため、信号の遅延を減らし、CPUの動作速度を向上させることができます。

CPUをより多くのコンピューターシステムに組み込むことができ、よりコンパクトでエネルギー効率の高いシステムを実現することができます。

グリーンリーブ

ただ、最近はどんどん技術が難しくなってきているから、CPUやGPUといった半導体製品はどんどん値上がってきているんだ。

CPUの優良性を評価する方法は、さまざまな観点から判断されます。
以下に、一般的なCPUの優良性の基準をいくつか挙げてみます。

CPUのクロック速度は、一秒あたりのクロックサイクル数であり、高いクロック速度は高速な演算処理を可能にします。ただし、クロック速度だけでCPUの性能を評価するのは適切ではなく、他の要素も考慮する必要があります。

CPUのコア数は、同時に実行できるプロセス数を増やすことができます。
これは主にゲーミングPCやレンタルサーバー、VPS選びには非常に重要な点になります。

多くの場合、多くのコアを備えたCPUは、複数のアプリケーションを同時に実行したり、複数のスレッドを処理したりする場合に優れたパフォーマンスを発揮します。

グリーンリーブ

昔は4コアだったけど、今は一般的に発売されるCore i9 13900Kが24コアだからだいぶ増えてきた！

CPUのキャッシュは、CPUが最も頻繁にアクセスするメモリ領域です。大きなキャッシュサイズを持つCPUは、より高速で効率的なデータアクセスが可能になります。

CPUのキャッシュは、一般的に以下の3つのレベルに分かれています。

L1キャッシュ：CPU内部に最も近いキャッシュで、CPUの演算処理に直接アクセスします。一般的に高速で小さな容量のため、CPUコアごとに存在し、演算処理を高速化します。
L2キャッシュ：L1キャッシュよりも大きな容量を持ち、L1キャッシュがキャッシュミス（必要なデータがキャッシュに存在しない状態）を起こした場合に、L1キャッシュからデータを受け取り、CPUコアに渡します。
L3キャッシュ：CPU全体で共有される最大容量のキャッシュで、L1、L2キャッシュがキャッシュミスを起こした場合に、データを供給します。CPUコアがアクセス可能な速度と比べて遅いですが、メインメモリよりは高速で、大容量のデータを保持できます。