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ハードウエア(CPU)

CPU

CPUは記憶装置上にあるプログラムと呼ばれる命令列を順に読み込んで解釈・実行することで情報の加工を行う。

CPUはコンピュータ内での演算を行なう中心であり、CPUは通常はバスと呼ばれる信号線を介して主記憶装置や入出力回路に接続され、何段階かの入出力回路を介して補助記憶装置や表示装置、通信装置などの周辺機器が接続され、データやプログラムなど情報のやりとりを行う。

人間に例えると脳に相当する部分である。

このようなCPUを用いたプログラムによるコンピュータの逐次動作がほとんどのコンピュータの基本的な動作原理となっている。

記憶装置上にプログラムを配置してから、プログラムを実行する方式をプログラム内蔵方式と言う。

現在のCPUは、部品としてはプロセッサの1種である。

プロセッサの多くはマイクロチップとして実装されており、マイクロプロセッサやMPU (Micro Processing Unit) と呼ばれる。

また、算術演算機能を強化し信号処理に特化したデジタルシグナルプロセッサ (DSP) や、メモリや周辺回路を搭載し組込み機器制御を目的としたマイクロコントローラ(マイコン)などの展開種も登場している。

専用の電子回路に比べると実行速度は遅いが、プログラムを変えるだけで多様な処理が行えることから、非常に多岐にわたる用途に使用でき、専用回路に比べ設計、修正が容易である。

このため、CPUはおよそあらゆるシステムに内蔵され、現代の産業や生活の屋台骨を支える存在にまで普及している。

現在最も普及しているCPUアーキテクチャとしてARMアーキテクチャが挙げられる。

ARMアーキテクチャは1991年から数え2008年初頭に出荷個数が100億個を超えるなど、家電製品から工業製品、携帯機器などに至る多くのシステムに組み込まれ、機器制御を司っている。

また、PCなど、現在の汎用コンピュータ製品における多くのシステムのメインCPUにx86アーキテクチャが用いられており、インテルのx86系CPU出荷数は1978年6月9日の8086発売から2003年までの25年で10億個を越えた。

CPUの構造は1949年に世界最初のストアードプログラム方式コンピュータであるEDSACが発表された時点で、すでに基本的原理が確立している。

CPUの発達は、プロセス技術の微細化による高速化、パイプライン並列化(命令パイプライン、演算パイプライン)、命令並列化(スーパースケーラ、VLIW)、データ並列化(SIMD演算)、CPUコア並列化、スレッド並列化(同時マルチスレッディング)などに支えられている。

 

デュアルコアプロセッサ

1つのパッケージに2つのプロセッサコアを集積したマイクロプロセッサ。

複数のコアを集積するマルチコアプロセッサの中でもっとも基本的な構成である。

2つのプロセッサコアは基本的に独立しているため、それぞれのプロセッサコアは他のプロセッサコアに影響されることなく動作できる。

1台のコンピュータにマイクロプロセッサを2つ搭載するデュアルプロセッサ構成とほとんど同じで、単に複数のプロセッサコアで処理を分担し、その分だけ性能が上がるという理屈である。

完全なプロセッサを2つ集積することはまれで、2次キャッシュなどの周辺の機能は2つのコアで共有する場合が多い。

キャッシュメモリを共有すると、1つのプロセッサコアが読み込んだデータを別のプロセッサコアが流用できるなど、性能面でのメリットもある。

一方、デュアルコアプロセッサのデメリットとして、1個のプロセッサ製品にほぼフルセットのプロセッサコアを2個詰め込むという性質上、どうしてもプロセッサのサイズは大きくなり、製造コストは高くつく。

デュアルコアプロセッサはOSからは複数のマイクロプロセッサとして扱われ、動作感もマルチプロセッサ構成とほとんど変わらないため、ユーザやプログラマはデュアルコアプロセッサ上での動作を特に意識する必要はない。

 

クアッドコア

1つのパッケージに4つのプロセッサコアを集積したマイクロプロセッサ。

複数のコアを集積したプロセッサをマルチコアプロセッサと呼び、クアッドコアはコア2つのデュアルコアプロセッサの集積度をさらに向上させた製品群である。

4つのプロセッサコアは基本的に独立しているため、それぞれのプロセッサコアは他のプロセッサコアに影響されることなく動作できる。

1台のコンピュータにマイクロプロセッサを4つ搭載するのとほとんど同じで、単に複数のプロセッサコアで処理を分担し、その分だけ性能が上がるという理屈である。

クアッドコアの構成には、単体のプロセッサコアを4つ集積する方式と、デュアルコアプロセッサを2つ集積する方式がある。

AMD社のクアッドコアOpteronやPhenomは前者のアプローチを、Intel社のXeonシリーズやCore 2 Extremeシリーズのクアッドコアモデルは後者のアプローチを採用している。

また、キャッシュメモリなど周辺の機能の一部は、それぞれに完全に分離するわけではなく共有される場合が多い。

キャッシュを共有すると1つのプロセッサコアが読み込んだデータを別のプロセッサコアが流用できるなど、性能面でのメリットもある。

一方、クアッドコアのデメリットとして、1個のプロセッサ製品にほぼフルセットのプロセッサコアを4個(またはデュアルコアプロセッサコアを2個)詰め込むという性質上、どうしてもプロセッサのサイズは大きくなり、製造コストは高くつく。

クアッドコアはOSからは複数のマイクロプロセッサ(マルチプロセッサ)として扱われ、動作感もマルチプロセッサ構成とほとんど変わらないため、ユーザやプログラマはクアッドコア上での動作を特に意識する必要はない。

 

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