テクノロジ系コンピュータ構成要素出題頻度 ★★

CPUの仕組みとクロック周波数

コンピュータの頭脳であるCPUの役割を、料理人とメトロノームの例えで図解。5大装置の関係、クロック周波数とCPI・MIPSの計算、マルチコアや64ビットCPUの意味まで、試験の計算問題が解けるようになります。

運営：東大院卒・ふくろう先生の中の人

この単元の用語：CPU / 制御装置 / 演算装置 / クロック周波数 / CPI / MIPS / マルチコア / GPU

パソコンの売り場で「CPU 3.0GHz」とか書いてあるんですけど、あれは何の数字なんですか？

CPUが1秒間に何回「拍子」を刻むかを表す数字だよ。CPUはコンピュータの頭脳。料理人に例えると、ぐっとわかりやすくなるよ。

CPUはコンピュータの頭脳

CPU（Central Processing Unit：中央処理装置）は、プログラムの命令を読み取って、計算したり、ほかの装置に指示を出したりする部品です。プロセッサ とも呼ばれます。

コンピュータは、役割ごとに次の 5大装置 に分けて考えます。

CPU 制御装置 演算装置 入力装置 記憶装置 出力装置 キーボードなど メインメモリ ディスプレイなど 矢印はデータの流れ。制御装置は全装置に指示を出す
CPUは「制御装置」と「演算装置」をまとめたもの。データは記憶装置を経由してやり取りする
装置役割料理に例えると
制御装置命令を読み取り、各装置に指示を出す段取りを決める料理長
演算装置計算・比較などの処理をする包丁を握る料理人の手
記憶装置プログラムやデータを置いておく調理台・冷蔵庫
入力装置外からデータを受け取る注文を受ける窓口
出力装置結果を外に出す料理を出すカウンター

CPU ＝ 制御装置 ＋ 演算装置。メインメモリ（記憶装置）はCPUの外にある、という切り分けがよく問われます。

クロック周波数は「メトロノーム」

CPUの中では、クロック と呼ばれる一定のリズムの信号に合わせて、すべての動作が進みます。料理人がメトロノームの「カチッ」に合わせて手を動かすイメージです。

このリズムが 1秒間に何回刻まれるか を クロック周波数 といい、単位は Hz（ヘルツ） です。

1秒間にこの波が何回来るか ＝ クロック周波数 1クロック 1命令 ＝ 4クロック 2GHz なら 1秒に 20億回 刻む
1回の「カチッ」が1クロック。1つの命令を処理するのに何クロックかかるかは命令によって違う
単位意味1クロックの時間
1MHz（メガヘルツ）1秒に100万回（106）1マイクロ秒（10-6秒）
1GHz（ギガヘルツ）1秒に10億回（109）1ナノ秒（10-9秒）

クロック周波数が高いほど、同じ時間にたくさんの処理を進められるので、一般に 高速なCPU といえます。

1命令にかかる時間を計算しよう

試験では、クロック周波数から「1秒間に何命令実行できるか」を求める問題が出ます。使う言葉は2つです。

  • CPI（Cycles Per Instruction）：1命令の実行に必要なクロック数
  • MIPS（ミップス）：1秒間に実行できる命令の数を 100万（106）単位 で表したもの

クロック周波数 2GHz、1命令が平均4クロック（CPI＝4）のCPU

  1. 1クロックの時間 ＝ 1 ÷（2×109）＝ 0.5ナノ秒
  2. 1命令の時間 ＝ 0.5ナノ秒 × 4 ＝ 2ナノ秒
  3. 1秒間の命令数 ＝ 2×109 ÷ 4 ＝ 5×108（5億回）＝ 500MIPS

割るのか掛けるのか、いつも迷っちゃいます…。

「1秒に20億回カチッと鳴る。4回鳴るごとに1品できる。じゃあ1秒で何品？」と考えれば、割り算だとすぐわかるよ。

  • 1クロックの時間 ＝ 1 ÷ クロック周波数
  • 1秒間の命令数 ＝ クロック周波数 ÷ CPI
  • 1命令の時間 ＝ 1クロックの時間 × CPI

マルチコア・ビット数・GPU

CPUの性能はクロック周波数だけでは決まりません。ほかにも次のような要素があります。

マルチコア：CPUの中で実際に処理を行う中核部分を コア といいます。1つのCPUにコアを複数持つものを マルチコアプロセッサ（2個ならデュアルコア、4個ならクアッドコア）といい、料理人を増やして 複数の処理を並行 して進められます。ただし、順番にしか進められない処理もあるため、コアを2倍にしても処理時間がちょうど半分になるとは限りません。

32ビット／64ビット：CPUが一度に扱えるデータの大きさ（ビット数）です。64ビットCPUは一度に多くのデータを扱え、より大きなメモリ空間を利用できます。

GPU（Graphics Processing Unit）：画像処理を得意とする装置です。単純な計算を大量に同時にこなすのが得意なため、AI（機械学習）の計算 にも広く使われています。

用語何を表す？大きいと？
クロック周波数1秒間のクロック数速い
CPI1命令に必要なクロック数遅い（小さいほうが速い）
MIPS1秒間の命令数（100万単位）速い
コア数処理の中核部分の数並行処理に強い

CPIだけは「小さいほど高性能」。ほかの指標と向きが逆なので、選択肢で入れ替えられていないか注意しましょう。

試験に出るポイント

  • CPU ＝ 制御装置 ＋ 演算装置。メインメモリは記憶装置で、CPUとは別
  • クロック周波数（Hz）は1秒間のクロック数。1GHz ＝ 109回/秒、1クロック ＝ 1ナノ秒
  • 1秒間の命令数 ＝ クロック周波数 ÷ CPI。100万単位で表すと MIPS
  • マルチコア は複数コアで並行処理。コア数に比例して必ず速くなるわけではない
  • GPU は画像処理や AI の大量計算が得意

確認クイズ

選択肢をタップすると、すぐに正解と解説が表示されます。

Q1クロック周波数が 2.5GHz のCPUにおいて、1クロックにかかる時間はどれか。

Q2クロック周波数 3GHz のCPUで、1命令の実行に平均6クロックかかる。このCPUは1秒間に平均何回の命令を実行できるか。

Q3マルチコアプロセッサに関する記述として、適切なものはどれか。

Q4コンピュータの5大装置のうち、CPUが担うものの組合せはどれか。