コンピューターの最も重要な部分を 1 つだけ選択する必要があるとしたら、それは中央処理装置 (CPU) でしょう。これは主要なハブ (または「頭脳」) であり、PC 内のプログラム、オペレーティング システム、またはその他のコンポーネントからの命令を処理します。
1 と 0
より強力な CPU のおかげで、私たちはコンピューター画面に画像を表示するのがやっとの状況から、Netflix、ビデオ チャット、ストリーミング、そしてますます本物に近いビデオ ゲームを利用できるようになりました。
CPU はエンジニアリングの驚異ですが、その核心では依然としてバイナリ信号 (1 と 0) を解釈するという基本概念に依存しています。現在の違いは、パンチカードを読んだり、一連の真空管で命令を処理したりする代わりに、最新の CPU が小さなトランジスタを使用して TikTok ビデオを作成したり、スプレッドシートに数値を記入したりしていることです。
CPUの基本
CPUの製造は 複雑です。重要な点は、各 CPU に数十億個の微細なトランジスタを収容するシリコン (1 個または複数個) が搭載されていることです。
前にほのめかしたように、これらのトランジスタは一連の電気信号 (電流「オン」と電流「オフ」) を使用して 、1 と 0 で構成されるマシン バイナリ コード を表します。これらのトランジスタが非常に多くあるため、CPU はますます複雑なタスクを以前より高速に実行できるようになります。
トランジスタ数は必ずしも CPU が高速であることを意味するわけではありません。しかし、それが依然として、あなたがポケットに入れて持ち歩く携帯電話が、おそらく 私たちが初めて月に行った ときの地球全体の計算能力よりもはるかに高い計算能力を備えている根本的な理由です。
CPU の概念のはしごをさらに上に進む前に、CPU が「命令セット」と呼ばれるマシンコードに基づいて命令をどのように実行するかについて説明しましょう。異なる会社の CPU には異なる命令セットが搭載されている場合がありますが、必ずしもそうとは限りません。
たとえば、ほとんどの Windows PC と現在の Mac プロセッサは、Intel CPU か AMD CPU かに関係なく 、x86-64 命令セット を使用します。ただし、2020 年後半に登場する Mac には、異なる命令セットを使用する ARM ベースの CPU が搭載されます。 ARM プロセッサを使用する Windows 10 PC も少数あります。
コア、キャッシュ、グラフィックス
次に、シリコン自体を見てみましょう。上の図は、2014 年に発行された、同社の Core i7-4770S の CPU アーキテクチャに関するインテルのホワイト ペーパーからのものです。これは、あるプロセッサがどのようなものかを示す単なる一例です。他のプロセッサは異なるレイアウトを持っています。
これは 4 コア プロセッサであることがわかります。 CPU にコアが 1 つしかなかった時代がありました。複数のコアがあるため、命令の処理がはるかに高速になりました。コアには、ハイパー スレッディングまたは同時マルチ スレッディング (SMT) と呼ばれるものもあり、PC からは 1 つのコアが 2 つであるかのように見えます。ご想像のとおり、これにより処理時間がさらに短縮されます。
この図のコアは、L3 キャッシュと呼ばれるものを共有しています。これは、CPU 内のオンボード メモリの一種です。 CPU には、各コアに含まれる L1 および L2 キャッシュ と、低レベル メモリの一種であるレジスタもあります。レジスタ、キャッシュ、システム RAM の違いを理解したい場合は、 StackExchange のこの回答 を確認してください。
上に示した CPU には、システム エージェント、メモリ コントローラー、および CPU に出入りする情報を管理するシリコンの他の部分も含まれています。
最後に、プロセッサーのオンボード グラフィックスがあり、画面上に表示されるすべての素晴らしい視覚要素を生成します。すべての CPU に独自のグラフィックス機能が搭載されているわけではありません。たとえば、AMD Zen デスクトップ CPU では、画面上に何かを表示するには個別のグラフィックス カードが必要です。一部の Intel Core デスクトップ CPU にはオンボード グラフィックスも含まれていません。
マザーボード上のCPU
CPU の内部で何が起こっているかを見てきました。次は、CPU が PC の他の部分とどのように統合されているかを見てみましょう。 CPU は、PC のマザーボード上のいわゆるソケットに取り付けられます。
CPU がソケットに装着されると、コンピューターの他の部分が「バス」と呼ばれるものを介して CPU に接続できるようになります。たとえば、RAM は独自のバスを介して CPU に接続しますが、多くの PC コンポーネントは「PCIe」と呼ばれる特定のタイプのバスを使用します。
各 CPU には、使用できる一連の「PCIe レーン」があります。たとえば、AMD の Zen 2 CPU には、CPU に直接接続する 24 レーンがあります。これらのレーンは、AMD の指導のもと、マザーボード メーカーによって分割されます。
たとえば、x16 グラフィックス カード スロットには通常 16 レーンが使用されます。次に、M.2 SSD などの高速ストレージ デバイス 1 つなど、ストレージ用に 4 つのレーンがあります。あるいは、これら 4 つのレーンを分割することもできます。 2 つのレーンを M.2 SSD に使用し、2 つのレーンをハード ドライブや 2.5 インチ SSD などの低速の SATA ドライブに使用できます。
これは 20 レーンで、残りの 4 レーンはマザーボードの通信センターおよびトラフィック コントローラーである チップセット 用に予約されています。チップセットには独自のバス接続セットがあり、さらに多くのコンポーネントを PC に追加できるようになります。ご想像のとおり、より高性能なコンポーネントは CPU とより直接的に接続されています。
ご覧のとおり、CPU はほとんどの命令処理を実行し、場合によってはグラフィックスも動作します (そのように構築されている場合)。ただし、CPU が命令を処理する唯一の方法ではありません。グラフィックス カードなどの他のコンポーネントには、独自のオンボード処理機能があります。また、GPU は独自の処理機能を使用して CPU と連携し、ゲームを実行したり、その他のグラフィックスを多用するタスクを実行したりします。
大きな違いは、コンポーネント プロセッサが特定のタスクを念頭に置いて構築されていることです。ただし、CPU は、要求されたあらゆるコンピューティング タスクを実行できる汎用デバイスです。そのため、CPU は PC 内で最高の地位にあり、システムの残りの部分は CPU に依存して機能します。
