中央処理装置（CPU）とは

CPUは本質的に、コンピューターのアクティブな頭脳、データ入力を情報出力に変換する、コンピューター内部の目に見えないマネージャーと考えることができます。膨大な回路ネットワークを通じてプログラム命令を保存し、実行します。

CPUは、人間の脳と同様に、マルチタスクを実行できます。つまり、コンピューターの内部機能の調整、電力消費の監視、コンピューティング・リソースの割り当て、さまざまなアプリケーションやプログラム、ネットワークとのインターフェースを同時に行うコンピューターの一部です。

CPUがコンピューティングにとってどれほど重要であるかについてまだ納得できない場合は、次の点を考慮してください。CPUは、コンピューターのサイズや用途に関係なく、すべてのコンピューターに搭載されている部品です。スマートフォン、ノートPC、またはPCでこの記事を読んでいる場合、まさに今CPUを使用しています。

「CPU」という用語は、単一の機器について話しているように聞こえますが、実際はそうではありません。CPUは実際には、高度に調整された方法で連携して動作する、さまざまなコンピューター・コンポーネントが組み立てられたものです。

CPUの独自の部分とそれらの相互作用について説明する前に、まずコンピューティングを推進する2つの重要な概念であるデータ・ストレージとメモリーについて理解しておくことが重要です。

• データ・ストレージとは、情報を保持して後で簡単にアクセスできるようにしたり、永久に保存したりする行為を指します。コンピューターは、プライマリー・ストレージとセカンダリー・ストレージに分類される2種類のストレージに依存しています。プライマリー・ストレージ（メイン・メモリー、または単に「メイン」とも呼ばれます）には、操作命令やデータ取得が格納されます。CPUは、このようなデータにアクセスするために、定期的にプライマリー・ストレージと連携します。
  
  
• メモリーは、特定の操作手順やその他の形式のデジタル情報を抽出して利用できるコンピューター・ファイルの割り当てです。メモリーは通常、最近のコンピュータの使用中に最も頻繁にアクセスされるファイルの短期的な保存形式です。データが最初にオペレーティング・システム（OS）に入ると、そのデータはOSのランダム・アクセス・メモリー（RAM）内に格納されます。

ここでも、CPUは短期記憶と長期記憶の両方を経験する点で人間の脳に似ています。CPUの標準的なオペレーティング・メモリーには、人間の短期記憶と同様に、RAMデータが「その瞬間」のみ保存され、その後、コンピューターのキャッシュ・メモリーから定期的に消去されます。

セカンダリー・ストレージは人間の長期記憶に似ており、ハード・ドライブなどのセカンダリー・ストレージ・デバイスにデータをアーカイブすることで、データを永久的または長期的に保持します。ハード・ドライブなどの出力デバイスは永続的なストレージを提供します。永続ストレージには読み取り専用メモリー（ROM）が含まれるため、データにはアクセスできますが、それを操作したり、変更したりすることはできません。

CPUの3つの主要コンポーネントは以下のとおりです。

次のCPUコンポーネントも不可欠です。

• キャッシュ：メモリー速度はCPUの動作にとって重要な要素ですが、皮肉なことに、CPUは実際にはRAMにアクセスしません。代わりに、最新のCPUには、CPUのプロセッサー・チップ上のキャッシュの有利な位置により、このようなタスクを（RAMが達成できる速度よりも高速で）日常的に処理する1つまたは複数のキャッシュ層があります。
  
  
• レジスター：CPUは、スムーズな操作を実現するためにすぐに満たす必要のある即時かつ継続的なデータ・ニーズ（CPUがさまざまなデータ処理命令を効率的に実行できるようにするため）に対して、永続メモリーの一種であるレジスターを使用します。CPU自体にレジスターを組み込むことで、必要なときにそのレジスターのデータに数ミリ秒単位でアクセスできるようになります。
  
  
• クロック：CPU内の複雑な回路が高度に同期して動作することが重要です。CPUのクロックは、さまざまなコンピューター・コンポーネントと連携して、一定間隔で電気パルスを発信することでこのプロセスを管理します。これらのパルスが発信される速度はクロック速度と呼ばれ、ヘルツ（Hz）またはメガヘルツ（MHz）で測定されます。
  
  
• 命令レジスターとポインター：CPUによって命令セットが実行されているとき、命令ポインターはCPUによって実行される次の命令の位置を示します。現在の命令が完了すると、次の情報が命令レジスターにポップされ、新しい命令が命令ポインター内で強調表示されます。
  
  
• バス：コンピューター・バスは、ほとんどのコンピューター内で、コンピューター・システム内のコンピューティング・コンポーネント間で適切なデータ転送とデータ・フローを確保するという非常に重要な役割を担っています。バスの幅は、バスが並列に転送するビット数を表します。バスは、コンピューターがCPUをオンボード・メモリーにリンクし、他の目的を果たす手段を提供します。

CPUは管理装置によって処理され、同期のサポートはコンピューター・クロックによって提供されます。CPUの動作は、CPU命令サイクルと呼ばれる確立されたサイクルに従って行われ、コンピューターの処理能力に応じて、次の基本的なコンピューティング命令を一定回数繰り返します。

• フェッチ：フェッチは、データがメモリーから取り出されるたびに発生します。
  
  
• デコード：CPU内のデコーダーは、バイナリー命令をCPUの他の部分と連携する電気信号に変換します。
  
  
• 実行：実行は、コンピューターがコンピューター・プログラムの一連の命令を解釈して実施するときに発生します。

基本的ないくつかの調整を加えると、CPU内のコンピューター・クロックを通常よりも速いクロック値で動作するように操作できることに注意してください。一部のユーザーは、コンピューターをより高速に実行するためにこれを実行しています。 ただし、この手法は、コンピューターの部品を通常よりも早く摩耗させ、CPUメーカーの保証に違反する可能性もあるため、お勧めしません。

コンピューターは、現代生活に欠かせない存在として認識されるようになり、まるで常に私たちと共にあったかのように感じられるほどですが、実際は、もちろんそうではありません。

すべてのテクノロジーは先人から得た知識を蓄積し、その上にさらなる知識を付け加えるという形で発展してきたと言われます。例えば、コンピューターの歴史で言えば、さまざまな実験や論文によって次世代の思想家が育成され、それらに基づき、先見の明のある人々によって、コンピューターの可能性などについてさらなるアイデアに到達しました。

近年のコンピューティングの歴史は戦争中に始まりました。アメリカ政府がペンシルバニア大学電気工学部（ムーア・スクール）の研究グループと契約を結んだとき、第二次世界大戦の最中にありました。この研究グループの使命は、砲兵射程表の距離量を正確に計算できる完全に電子化されたコンピューターを開発することでした。物理学者John Mauchly氏とエンジニアのJ. Presper Eckert, Jr.氏の指揮の下、研究開発プロジェクトは1943年初頭に開始されました。

その後、1946年初頭に完成したENIACと呼ばれる計算機は大きな進歩でした。

ENIAC製造にかかるコストは40万ドル（インフレ調整後、2024 年のおよそ670万ドルに相当）で、ムーア・スクールの地下室の実に1,500平方フィートもの床面積を占めました。17,000個以上の真空管、70,000個のレジスター、10,000個のコンデンサー、6,000個のスイッチ、1,500個のリレーなど、このコンピューターの製造には、膨大な数の部品が必要でした。そして、言及するまでもないことですが、真空管は非常に多くの熱を発生するため、ENIACには専用の空調システムが必要でした。

こうして完成したENIACは原始的なCPUを搭載していたにもかかわらず、その能力は当時としては驚異的なものであり、1 秒あたり5,000もの方程式を処理できました。第二次世界大戦が終わると、ENIACはすぐに冷戦に巻き込まれることとなりました。最初の任務は、原子爆弾の1000倍の爆発力を持つ新しい兵器、水素爆弾の製造に関連する計算を実行することでした。

ENIACは、コンピューターが軍事的に何ができるかを実証しました。その後間もなくして、Eckert氏とMauchly氏率いるチームが独自に会社を設立し、コンピューターがビジネスの世界にどのような良い影響を与えることができるかを世界に示しました。

Eckert-Mauchly Computer Corporation社（EMCC）の主力製品であるUNIVAC 1（通称、「UNIVAC」）は、当時の技術の変化を反映したさまざまな改良が加えられた、ENIACの小型かつ安価なバージョンでした。

まず、電気タイプライターのキーボード、データ保存用の最大10台のUNISERVOテープ・ドライブ、企業が磁気保存テープに加えてパンチ・カードを使用できるテープ／カード・コンバーターなどのI/Oデバイスを組み込むことで、データ入力がより簡単で、より多くのことを表現できるようになりました。

UNIVACも、その前身と同様に、依然として広い床面積（約35平米）を必要としましたが、それでもENIACが必要としていた床面積からは大幅に小型化されました。一方、価格については、UNIVACには追加機能があるためENIACよりもかなり高価となり、通常は約150万ドル（現在の価値で約1,160万ドル）で販売されていました。

しかし、その反面、UNIVACは驚くべき能力を発揮していました。最も注目すべきは、CBSニュースがこれを使用して、1952年の米国大統領選挙の結果を正確に予測したことです。米世論調査会社のGallup社による従来の調査結果では接戦の選挙になると予想されていましたが、UNIVACは早々にドワイト・D・アイゼンハワーの圧勝を予測して記者全員を驚かせ、結果はまさにその通りになりました。UNIVAC以外でこれを予想したものはいませんでした。この出来事は世間に衝撃を与え、コンピューターが生み出す驚くべき分析と予測に対する認識が一夜にして広まりました。

外観が洗練されたとは言え、UNIVACは依然として巨大で、重量は8トン強、必要な電力消費量は125kWでした。UNIVAC 1は1951年に発表され、最初のモデルは米国国勢調査局によって購入されました。残念ながら、UNIVACの使用方法は重大な設計上の欠陥により複雑化しており、さまざまな破損が発生しやすく、かなりの量の余分な熱を発生するガラス真空管を使用していました。

幸いなことに、CPUの次の革命では。この問題に直接対処することになりました。

ENIACとUNIVACの両方の開発者は、当時は実行可能な代替手段がなかったため、真空管の扱いについて頭を悩ませていました。しかし、1953年にマンチェスター大学の一人の研究生が、完全にトランジスター・ベースのコンピューターを構築する方法を発見したことを発表したことにより、すべてが一変しました。Richard Grimsdale氏が作ったのは、92個のトランジスターと550個のダイオードを使用し、ガラス真空管を一切使用しない、48ビットのコンピューターでした。

トランジスターは1950年代初頭に大量生産され始めたが、その使用はもともと、精製が難しく、一定温度範囲内に厳密に保たなければならないゲルマニウムという材料により、複雑なものとなっていました。

1954年初頭までに、Bell Laboratoriesの科学者たちは、最終的にコンピューター・チップの製造に採用されることになるシリコンの実験を開始しました。しかし、同研究所のMohamed Atalia氏とDawon Kahngがシリコンの使用をさらに改良し、金属酸化物半導体電界効果トランジスター（別名、MOSFETまたはMOSトランジスター）を開発するまで、事態は本格的には進展しませんでした。

2人のエンジニアは1959年後半に実用的なプロトタイプを製作し、これを1960年初頭に世界に向けて販売開始したことにより、トランジスター時代と呼ばれる新たな10年の幕開けを告げました。その10年の終わりまでに、トランジスターはあらゆる場所で広く使用されるようになりました。

実際、MOSFETは数十年にわたって世界中で広く普及し、受け入れられたため、コンピューター歴史博物館では「史上最も広く製造されたデバイス」として称賛されています。2018年までに、130垓個のMOSトランジスターが製造されたと推定されています。

CPU設計にとって、トランジスターはコンピューティングの世界は一変しました。開発当初の大きすぎる体積を小型化し、より少ないスペースでより効率的に動作できる、より洗練されたデザインのコンピューターの作成を可能にしました。

UNIVACは、その不十分さと巨大さにもかかわらず、当時としては画期的なものでした。その後、より小型のマザーボードが開発され、さまざまなコンピューター・チップが使用される段階になりました。これは最終的に、単一のチップで複数の用途を叶えるチップセットの開発につながりました。今では、現代のCPUは非常に小型化されており、CPU全体がマイクロプロセッサーと呼ばれる小さな集積回路チップ内に収められています。

マイクロプロセッサーは、サポートするコアの数によって指定されます。CPUコアは「脳内の脳」であり、CPU内の物理処理装置として機能します。マイクロプロセッサーには、複数のプロセッサーを含めることができます。それに対し、物理コアはチップに組み込まれたCPUです。ただし1つのソケットしか占有しないため、他の物理コアが同じコンピューティング環境を利用することができます。

「マイクロプロセッサー」という用語を「マイクロコントローラー」と混同しないことが重要です。マイクロコントローラーは、単一の集積回路上に存在する非常に小さなコンピューターで、通常、少なくとも1つのCPUと、関連するメモリーおよびプログラム可能な I/O データが含まれています。

マイクロプロセッサーに関連して使用されるその他の主な用語を以下に示します。

• シングルコア・プロセッサー：シングルコア・プロセッサーは、1つの処理装置を搭載しています。これらは通常、パフォーマンスは低速であり、単一のスレッドで実行され、CPU命令サイクルを一度に1つ実行します。
  
  
• デュアルコア・プロセッサー：デュアルコア・プロセッサーは、1つの集積回路内に2つの処理装置を搭載しています。両方のコアは同時に実行されるため、パフォーマンス・レートは事実上2倍になります。
  
  
• クアッドコア・プロセッサー：クアッドコア・プロセッサーは、1つの集積回路内に4つの処理装置を搭載しています。すべてのコアが同時に実行され、パフォーマンス・レートは4倍になります。
  
  
• マルチコア・プロセッサー：マルチコア・プロセッサーは、少なくとも2つのプロセッサー・コアを搭載した統合回路であるため、より少ないエネルギー使用量で最高のパフォーマンスを実現できます。

スレッドは、CPUに発行される命令の仮想シーケンスと考えることができます。これは主に、ワークロードを分割し、その責任を異なるプロセッサー間で共有する方法です。

関連する用語として、マルチスレッドとハイパースレッドがあります。前者では、タスクは個別のスレッドに分割され、並列に実行されます。ハイパースレッドは、プロセッサーを使用して2つのスレッドを同時に実行するため、パフォーマンス上の利点をさらに高めるのに役立ちます。

グラフィックス処理装置（GPU） は、コンピューター・グラフィックスと処理済み画像の高速化と強化を目的として作られています。GPU は、マザーボードだけでなく、PCやゲーム機でも使用できる特殊な電子回路です。

CPUテクノロジーは十分に確立されているため、これ以上の進展は見込めないと思われることがあります。しかし、常に新しい製品が開発され、そのすべてが可能な限り最高のCPU（またはマイクロプロセッサー）を提供しようとしていることから、継続的なイノベーションが行われていることを示す証拠が数多くあります。以下で紹介する企業は、そうしたイノベーションを何度も実証してきました。

• Advanced Micro Devices社（AMD）：AMDは2017年の設立以来、Ryzenマイクロプロセッサーを製造しています。注目のAMD Ryzenシリーズ（Ryzen 7、Ryzen 9など）は、高速ゲームアクションを安定して提供することでビデオ・ゲーマーから高く評価されており、Ryzen 5 1600プロセッサーはソフトウェア開発に携わる人々から高い支持を得ています。
  
  
• Qualcomm社：純粋な製造業という点では、Qualcomm社は現在、CPU市場をリードしています。2024年5月現在、コンピューターのクリック率のサンプルによると、Qualcomm社のクリック・シェアは37.4％と驚異的で、これは、最も近いライバルのシェアの2倍以上となっています。
  
  
• Arm社：これはスピードが重要な市場です。Arm社は実際にはマイクロプロセッサーを製造していませんが、チップ技術のライセンスを取得して使用する方法を提供しているため、サード・パーティー企業はArm社設計のマイクロプロセッサーが提供する非常に高速な処理時間というメリットを確実に享受できます。
  
  
• Intel社：Intel社は1975年にチップの生産を開始して以来、何十年もの間コンピューター・チップ製造の大手企業として君臨してきました。Intel Core i5（2009年に導入）などのプロセッサーは、動画編集プログラムやソフトウェア開発プログラムなど、より高い処理能力を必要とするプログラムとの完璧な互換性が証明されています。