CPU（中央処理装置）の歴史

CPU（中央処理装置）とはコンピューターの頭脳のことです。コンピューターを実行するための関数に加え、タスクの割り当てや処理も扱います。

コンピューティングにおいて、CPUはなくてはならないものです。事実、すべてのコンピューター・システムには、少なくとも何らかの基本的なCPUが搭載されています。パーソナル・コンピューター（PC）、ノートPC、タブレット、スマートフォン、あるいは1秒あたりの浮動小数点演算数で表現する必要があるほど出力が強力なスーパーコンピューターで使用されているとしても、CPUは間違いなくコンピューター上の1つの構成機器であり、それなしで済ませることはできません。技術がどのような進歩を遂げたとしても、CPUを取り外せば、その機器はもうコンピューターでなくなってしまうという事実は変わりません。

CPUは、コンピューターのアクティビティーを管理するだけでなく、データ・ストレージとメモリーの間に存在するプッシュとプルの関係を有効にし、安定させます。CPUは仲介者として機能し、OS（オペレーティング・システム）のランダム・アクセス・メモリー（RAM）からデータにアクセスする必要がある場合には、プライマリー・ストレージ（またはメイン・メモリー）と対話します。一方、読み取り専用メモリー（ROM）は、永続的で通常は長期的なデータ・ストレージ用に構築されています。

電子コンピューターの最新のCPUには通常、次のコンポーネントが含まれています。

• 制御装置：体系的な電気パルスを発行してコンピューター・システムを導き、高レベルのコンピューター命令を実行するようシステムを管理する集中回路が含まれています。
• 演算装置（ALU）：コンピューターの特定の動作に関連する数式や論理ベースの比較など、すべての算術演算と論理演算を実行します。
• メモリー管理ユニット：メモリー使用量と、RAMとCPUの間のデータ・フローを管理します。また、キャッシュ・メモリーの取り扱いを監督します。
• キャッシュ：CPUのプロセッサー・チップに組み込まれたメモリー領域が含まれており、RAMよりもさらに速いデータ取得速度を実現します。
• レジスター：定期的かつ即座に処理する必要がある、一定の繰り返しデータのための組み込み永続メモリーを備えています。
• クロック：電気パルスを送信することでCPUの回路を管理します。これらのパルスの配信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）単位です。
• 命令レジスターとポインター：CPUが次に実行する命令セットの位置を表示します。
• バス：コンピューター・システムのコンポーネント間の適切なデータ転送とデータ・フローを保証します。

CPUは、コンピューター・クロックと連動する制御装置によって管理される繰り返しコマンドのサイクルを使って機能します。コンピューター・クロックは同期を支援します。

CPUの作業は、確立されたサイクル（CPU命令サイクルと呼ばれる）に従って行われます。CPU命令サイクルは、一定の反復回数を指定します。これはそのコンピューターの処理能力で対応できる、基本的な計算命令が繰り返される回数です。

基本的なコンピューティング手順には、次のものが含まれます。

• 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行われます。

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ます。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の方法を採用しています。ただし、この手法（「オーバークロック」）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。

処理のスタイルも調整できます。この操作をする1つの方法は、命令パイプラインを実装し、単一プロセッサーに命令レベルの並列処理を導入することです。パイプラインの目的は、受信するコンピューター命令を分割し、プロセッサー・ユニット間で均等に分散することで、プロセッサーの各部分を処理に関与させ続けることです。命令は、さらに小さな命令またはステップに分割されます。

単一のプロセッサー内で命令レベルの並列処理を実現するもう1つの方法は、スーパースカラー・プロセッサーと呼ばれるCPUを使用することです。スカラー・プロセッサーがクロック・サイクルごとに実行できる命令は最大1つであるのに対し、スーパースカラー・プロセッサーがディスパッチできる命令の数に制限はありません。プロセッサーのさまざまな実行ユニットに複数の命令を送信することで、スループットが向上します。

画期的なテクノロジーには、多くの場合、複数の「親」がいます。テクノロジーが複雑で画期的なものであるほど、それを生み出すことに貢献した人の数も多くなります。

歴史上最も重要な発明の1つであるCPUについては、実際には「誰がコンピューターを発見したか」という話となります。

人類学者は「独立発明」という語によって、互いに離れた国に存在しており相対的に孤立している別々の個人が、似たような実験が他の場所でも行われていることを知らないまま、類似のまたは補完的なアイデアや発明をそれぞれが思いつくという状況を説明しています。

CPU（またはコンピューター）の場合、独立発明が繰り返し行われ、CPUの歴史の中でさまざまな進化的変化を遂げてきました。

この記事でコンピューティングの初期のパイオニア全員を取り上げて称えることはできませんが、その人生と経歴に光を当てるべき人物が2人います。どちらもコンピューティングとCPUに直接関係していました。

アメリカ人のグレース・ブリュースター・ホッパー（1906-1992）は、アメリカ海軍に入隊したときの体重はわずか105ポンド（47.63 kg）で、必要とされる体重の下限を15ポンド（6.8 kg）下回っていました。しかし、アメリカ海事史上最も賢明な決定の1つとして、海軍は体重を満たさないことについては免除を認め、何としても彼女を入隊させることにしました。

Grace Hopperは、体格面で欠けていた点をエネルギーと多才さで補いました。彼女は第一級の博学者でした。数学と数理物理学の両方でイェール大学から博士号を取得した才能ある数学者であり、ヴァッサー大学の著名な数学の教授であり、コンピューター言語を書き、最初のコンピューター・マニュアルを執筆したとされる先駆的なコンピューター科学者であり、（女性が軍の管理職以上の役職に就くことはほとんどなかった時代に）海軍司令官でもありました。

グレースは第二次世界大戦後のUNIVACスーパーコンピューターの開発など、当時の主要なコンピューター・プロジェクトに携わっていたため、常に動きに深い関わりを持ち、適切なタイミングで適切な場所に身を置いてきたように見えます。彼女は、現代のコンピューティングの歴史の多くを個人として目撃してきました。「コンピューターのバグ」という言葉の発案者は彼女であり、当初はコンピューティング装置内に入り込んでしまった実際の蛾を言い表した表現でした（このときの蛾は、ワシントンDCにあるスミソニアン協会の国立アメリカ歴史博物館に今も展示されています）。

グレースは、UNIVACプロジェクトに携わった（後にUNIVACプロジェクトを引き継いだレミントンランド社ではそのプロジェクトを管理した）経験から、もっとシンプルな使えるプログラミング言語がないことに不満を感じるようになりました。そこで彼女は独自のプログラミング言語の開発に着手し、それはCOBOL（COmmon Business-Oriented Languageの頭文字）として知られるようになりました。

ロバート・ノイス：「シリコンバレーの主」

ロバート・ノイスは、従来のビジネス表現で言うところの「キーマン」であり、姿を現せば目を見張るような活動を始めることができる人物でした。

アメリカ人のロバート・ノイス（1927-1990）は、天才少年発明家でした。特に、ベル研究所が製造したオリジナルの2つのトランジスターを目にしてからは、その知的好奇心を大学での研究に注ぎ込みました。ロバートは26歳のときに、マサチューセッツ工科大学（MIT）で物理学の博士号を取得しました。

1959年に、彼はジャック・キルビーが1958年に発明した最初のハイブリッド集積回路を基に、そのオリジナルの設計に大幅な改良を加えました。ロバートの改良により、新しい種類の集積回路、すなわちシリコンを使用して設計されたモノリシック集積回路（マイクロチップとも呼ばれる）が誕生しました。シリコン・チップはすぐに、天からのお告げでもあるかのごとく、新たな方法で業界を変革し社会を形成するものとなりました。

ロバート・ノイスはそのビジネス・キャリアにおいて、フェアチャイルドセミコンダクター（1957年）とIntel社（1968年）という、大きな成功を収めた2つの企業を共同設立しました。彼はIntel社の初代CEOでした。Intel社は現在も処理チップの製造で世界的に知られています。

両企業の取り組みにおける彼のパートナーは、ゴードン・ムーアという人物でした。彼は半導体業界を予測することで有名になり、その予測は信頼できることが実証され、ほとんどアルゴリズムのように見なされていました。「ムーアの法則」と呼ばれるこの法則では、集積回路内で使用されるトランジスターの数は約2年ごとに必ず2倍になると予測されていました。

ロバート・ノイスによる経営時に、Intel社はIntel 4004を製造しましたが、現在ではこれが1970年代のマイクロプロセッサー革命を引き起こしたチップと見なされています。Intel 4004の開発は、Intel社のテッド・ホフ、スタンレー・メイザー、フェデリコ・ファジンの3人の共同作業により成し遂げられ、それは商用化された史上初のマイクロプロセッサーとなりました。

ロバートの在職中にはIntel 8080も製造されました。これは1974年4月に初登場した、Intelの2番目の製品である8ビット・マイクロプロセッサーです。それから2年も経たないうちに、同社は16ビット・マイクロプロセッサーであるIntel 8086を発表しました。

ロバート・ノイスは、その輝かしいキャリアの中でさまざまな発明に対する12の特許を取得し、集積回路に関する研究とそれが世界にもたらした多大な影響に対して異なる3人の米国大統領から表彰を受けました。

あまりにドラマチックに聞こえるかもしれませんが、1943年当時、世界の運命はどちらに転ぶか本当にわからない状況でした。第二次世界大戦（1939-1945）の行方はまったく定まっておらず、連合国軍も枢軸国軍も敵に対して優位に立つために、あらゆる技術的優位性を熱心に探し求めていました。

マンハッタン・プロジェクトのような記念すべきプロジェクトが創設されたときにも、コンピューター機器はまだ初期段階にありました。米国政府は、ペンシルベニア大学のムーア電気工学部の技術者グループを雇用しました。そのグループに託された任務は、大砲射程表のヤード数を計算できる電子計算機を構築することでした。

このプロジェクトは、軍の要請に基づき、ジョン・モークリーとジョン・プレスパー・エッカートJrが主導しました。プロジェクトの作業は1943年の初頭に始まり、3年経ってようやく完了しました。

このプロジェクトで製作されたENIAC（「Electronic Numerical Integrator and Computer」の頭文字）と呼ばれる機械は、設置床面積1,500平方フィートを必要とし、17,000本の真空管、70,000個の抵抗、10,000個のコンデンサー、6,000個のスイッチ、1,500個のリレーが組み込まれた巨大な装置でした。2024年の通貨に換算すると、このプロジェクトの費用は670万米ドルでした。

このマシンは毎秒最大5,000の方程式を処理できました（方程式の内容により異なりました）。これは、歴史的な視点から見ると驚くべき量です。ENIACはサイズが大きかったため、担当者はCPUの中に立ち、マシンの機能ユニット間の接続を配線し直すことでマシンをプログラミングできました。

ENIACは、第二次世界大戦の末期に米軍によって使用されました。その戦争が終わると今度は冷戦が始まり、ENIACには新たな行軍命令が与えられました。今回の任務は、第二次世界大戦を終わらせた原子兵器の1,000倍以上の爆発力を持つ水素爆弾の製造のための計算を実行することでした。

第二次世界大戦の後、ENIACプロジェクトの2人のリーダーは会社を設立し、アメリカのビジネスにコンピューティングを導入することを決めました。新たに設立されたEckert-Mauchly Computer Corporation（EMCC）は、主力製品としてENIACを小型化した安価なバージョンの準備に着手しました。それには、テープ・ドライブやキーボード、パンチカードを使用できるコンバーター装置などが追加され、さまざまな改良が加えられました。

1951年に一般公開されたUNIVACは、ENIACよりも洗練されてはいましたが、依然として巨大で、重量は8トンを超え、エネルギー消費量は125 kWでした。そしてまだ高額であり、現在の金額に換算すると約1,160万米ドルでした。

CPUには、最初のCPUである「UNIVAC 1103」が搭載されていました。それはプロジェクトの他の部分と同時に開発されたものでした。UNIVAC 1103は真空管を使用していたため、CPUは巨大で、扱いにくく、低速でした。

最初に販売されたUNIVAC 1は11台限定でした。つまりUNIVACを利用できたのは、最も大きく、最も資金力があり、最も横のつながりの強い企業や政府機関のみでした。購入組織のほぼ半数は、米空軍や中央情報局（CIA）などの米国防衛機関でした。一番最初のモデルは、米国国勢調査局によって購入されました。

CBS News社はこのマシンの1台を購入し、1952年の米国大統領選挙の結果予測を、大胆な賭けによってではなく正確に見積もるために使用したことで有名になりました。これは、コンピューターでできることの驚きをアメリカ国民に紹介する派手な宣伝となりました。

コンピューティングがますます現実のものとなり称賛を得るようになってくると、その主要な弱点は明らかになりました。CPUでは、真空管の使用による問題が絶えず発生していました。それはまさに機械的な問題でした。ガラス製の真空管は非常に繊細で、日常的に破損しがちでした。

この問題はあまりに明白であったため、製造元は真空管が機能せずコンピューターが停止し困惑している多くの顧客に対して、労を惜しまず回避策を提供しました。

真空管の製造業者は、工場で真空管を定期的にテストし、工場でのさまざまなレベルの使用や酷使によって真空管を試した後、その中から「頑丈さに折り紙付き」の真空管を選び出し、予備として保持しておき、顧客からの緊急の要求に備えていました。

CPU内の真空管に関するもう1つの問題は、計算機自体のサイズに関係していました。真空管そのものが大きかったので、設計者はもっとずっと小さな装置で真空管の処理能力が得られること切望していました。

1953年までに、マンチェスター大学の研究生が、完全にトランジスター・ベースのコンピューターを構築できることを示しました（ibm.com外部へのリンク）。

ただし当初のトランジスターは扱いが困難でした。その主な理由は、精製が難しく適正な温度範囲内で維持管理する必要があるゲルマニウムという物質から製造されていたためです。

ベル研究所の科学者たちは、1954年にシリコンなど他の物質を使用した実験を開始しました。ベル研究所の科学者（Mohamed ItaliaとDawn Kahng）はシリコンの利用を改良し続け、1960年までに金属酸化膜半導体電界効果トランジスター（MOSFET、またはMOSトランジスター）という現代のトランジスターの製法を編み出しました。このトランジスターは、コンピューター歴史博物館によって「史上最も広く製造されたデバイス」（ibm.com外部へのリンク）として称賛されています。2018年には、それまでに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。

小型化の探求は続き、コンピューター科学者は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に搭載できるほどの小型CPUを開発しました。

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内の物理処理ユニットとして機能します。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つの処理ユニットを搭載しています。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つの処理ユニットを搭載しています。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つの処理ユニットを搭載しています。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・コアを備えた集積回路であり、最高のパフォーマンスと最適化された電力消費を実現できます。

現在、いくつかの企業がさまざまなブランド・ラインでCPUをサポートする製品を開発しています。この市場ニッチは、以前は多くの主要メーカー（モトローラ社など）を含め多数の企業を惹きつけていましたが、今は劇的に変化しました。現在、主要な企業はインテルとAMDの2社だけです。

両社はそれぞれ異なる命令セット・アーキテクチャー（ISA）を使用しています。AMDプロセッサーはRISC（縮小命令セット・コンピューター）アーキテクチャーを基本としており、インテル・プロセッサーはCISC（複合命令セット・コンピューター）アーキテクチャーを基本としています。

• Advanced Micro Devices社（AMD）：AMDはプロセッサーとマイクロプロセッサーを、CPUとAPU（Accelerated Processing Unitsの略）という2つの製品タイプで販売しています。この場合、APUは独自のRadeonグラフィックスを搭載したCPUです。AMDのRyzenプロセッサーは、ビデオゲーム市場をターゲットとした高速で高性能のマイクロプロセッサーです。Athlonプロセッサーは、以前はAMDのハイエンド製品と見なされていましたが、現在AMD社ではそれを汎用の代替製品に位置付けています。
• Arm社：Arm社は実際には機器を製造していませんが、機器を製造している他の企業に、自社の価値あるプロセッサーの設計やその他の独自技術をリースしています。例えばApple社は、MacのCPUにIntel社のチップを使用することをやめ、Arm社の設計に基づいてカスタマイズされたプロセッサーを独自に製造しています。他の企業もこれに追随しています。
• Intel社：Intel社は4つの製品ラインを通じてプロセッサーとマイクロプロセッサーを販売しています。そのプレミアム・ラインはIntel Coreで、Core i3などのプロセッサー・モデルがあります。Intel社のXeonプロセッサーは、オフィスや企業向けに販売されています。Intel社のCeleronとIntel Pentiumのライン（Pentium 4シングルコアCPUなどのモデルが代表的）は、Coreラインよりも低速で、性能は劣ると見なされています。

CPUについて考える場合は、CPUに含まれ使用されているさまざまなコンポーネントについて考えることができます。また、CPUの設計が、初期の超大型の実験的段階から現代の小型化の時代にどのように移行してきたかを考察することもできます。

しかし、寸法や外観がどう変化しようとも、その特殊な任務で非常に優れた能力を発揮しているため、CPUは揺るぎなくCPUであり、今でもその任務を担っています。利用するときはいつでも正しく動作するのです。

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