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演算・制御装置 ~ CPUとは ~

ンピュータの5大装置の中で、四則演算を行う「演算装置」と各機器を制御する「制御装置」は、実は同じ装置が兼ねています。

この二役をこなす装置のことを、

CPU(シーピーユー)

と言います。CPUは、マイクロプロセッサ と呼ばれることもあります。人間でいえば「脳」であり、パソコンの頭脳になります。簡単に言うと2進数の計算を行う装置です。

パソコンの頭脳であるとはいっても、パソコンはデジタルデータの処理を行うので、2進数の0と1の2種類の数字を計算することになります。

前項でも少し触れましたが、演算といっても、

CPUは2進数の足し算をしているにすぎない

のです。ただし超高速で計算していることは言うまでもありません。どのくらいのスピードなのかは後述しますが、2進数の計算では足し算ができれば、四則演算(足し算、引き算、掛け算、割り算)のすべてを行うことができます。

足し算も、1+1=「2」になるのではなく、1繰り上がって「10」となります。詳しくは下の 参考サイト を参照してください。

現在、CPUは様々なメーカーが開発し、様々なメーカーのパソコンに搭載されていて多種多様です。したがって、性能は一律ではなく、CPUの種類によって計算速度が異なります。

したがって、CPUの性能をある単位で表現しています。その単位は、

Hz(ヘルツ)

になります。テレビショッピングなどで、「CPUのスペックは、何ギガヘルツ」といった言葉を耳にしたことがある方も多いかと思います。(スペックとは製品の「仕様」の意味)

Hz(ヘルツ)は、

1秒間に繰り返される振動数や周波数

を表現する単位になります。

パソコンは、2進数の0と1を電流のONとOFFに対応させているというのは前述のとおりですが、一定の間隔(周期)でONとOFFの電気信号を発生させています。

この電子信号の周期のことを、クロック周波数(クロック) といいます。CPUでは、その周期にあわせて計算が行われるのです。つまり、ここでいう単位Hz(ヘルツ)は、そのクロック周波数の単位のことで、

周波数を高くするにつれて高速で処理をする

ということになります。したがって、Hz(ヘルツ)という単位の数が大きいほど、高速で計算するCPUであるといえます。

では、具体的にCPU性能を読み取ってみましょう。例えば、

Intel社製 CPU 「Pentium4 3GHz」

ではどうでしょうか? まず、Intel(インテル)社製のCPUであることは容易に理解できます。「Pentium4」はペンティアム フォーと読み、インテル社製CPUのシリーズの名称になります。つまり、Pentiumというシリーズのバージョン4の製品であるということです。

そして、次の「3GHz」が性能を表しています。「Hz」の前の「3G」は3ギガのことです。「ギガ」という単位は、デジタルデータの単位 で解説のとおり、「10億」を表しています。

Hzは、1秒間に何回かを表す単位なので、この例では、「1秒間に3G回」ということになります。したがって、

1秒間に30億回の計算ができるCPU

ということになります。(実際には正確に30億回計算できるわけではありません)このように、CPUは1秒間に数十億回もの2進数の足し算を行う装置なのです。

簡単に超高速で計算していると解説してきましたが、これほどまでに桁違いのスピードだと思わなかった方も少なくないと思います。このスピードで処理できるからこそ、2進数のみで動画や音楽などのあらゆるものが表現できるのです。

このように、Hzで表されるクロック周波数が高いCPUほど高性能になる、と締めくくりたいところですが、これまたそうは問屋が卸しません。

最近のCPUでは、単純に周波数単位(ヘルツ)が大きいほど高速で、高性能というわけでもないので注意が必要です。

確かに、一昔前のIntel社製「Pentium(ペンティアム)」シリーズとか「Celeron(セレロン)」といったCPUは、周波数が高いほど高性能でした。

しかし、Pentiumの後継「Core2(コアツー)」などは、周波数の単位がPentiumのそれより小さくても、高速で高性能になっています。

なぜなら、クロック周波数を向上させると熱を放出するため、クロック周波数の向上には限界があったからです。これ以上クロック周波数を向上させることができないという放熱の限界のところまで開発されてしまったため、方向転換を余儀なくされたのです。

その結果、現在のCPUは、2つの集積回路(「コア」という一連の処理装置をまとめたもの)を搭載して、1つのCPUでありながら、2個のCPUを搭載している(実際には1つのCPUに2つ以上の「コア」という演算装置がある)かの様に動作する、マルチコア がメインになっています。

つまり、マルチコアのCPUであれば、そのコアの数だけ並行して違う計算をすることができるわけです。コアの数が2つの場合を、デュアルコア と呼んでいます。

以前のクロック周波数の向上のみに努めていたCPUは、シングルコア になります。つまり、

CPUの性能は、周波数単位ではなく製品(Core2とかPentiumなどの種類)によって決まる

と考えても良いと思います。現在は様々なCPU(どのような処理を得意とするのかが異なる)が市場に存在し、単純にクロック周波数では性能が測れなくなってきています。一般的には、今現在では、Intel社の「Core」シリーズが高性能だと言われています。

また、周波数単位はCPU単体に限ってのことであり、パソコン全体の性能をあらわすものではないのでご注意ください。

その他のパーツ(メモリやサウンド、グラフィックス用のパーツ)が総合的に優れていないと、いくらCPUが高性能でも、パソコン全体としては高性能とはいえません。

CPUを高性能なものにするより、音声や動画といったマルチメディアに使うのか、オンラインゲームを楽しみたいのかといった目的によって、専用のパーツを高性能にする方が重要だと思います。

したがって、CPUはパソコンの頭脳だと解説してきましたが、

CPUの性能だけでパソコンの性能が決まることはない

と覚えておいてください。

また、CPUの性能を判断することのできるもうひとつの表現として、何ビットCPU であるのかという見方があります。専門的にいえば「バス幅」の大きさであり、一回の計算にどのくらいの幅、つまり何ビットを計算単位をしているかという見方です。

現在主流のパソコンのCPUは、32ビットCPU です。これは、

一回の計算において、32桁の2進数を扱う

ということです。現在では使用されている多くのパソコンが32ビットCPUを搭載してますが、さらに上位の規格として64ビットCPU搭載のパソコンも販売されています。

64ビットCPUのパソコンは、高度な処理を必要とする業務用やサーバコンピュータなどに限られていましたが、技術の進歩と価格の低下により、一般向けに普及し始めています。

今後は、64ビットCPUが主流となるのは間違いなく、それに対応するWindows7などの64ビットOSが主流となりつつあります。(Windows7は、64ビットと32ビットのどちらかを選択して使用することができます)

また、CPUはパソコンだけでなく家電製品やゲーム機にも搭載されており、用途の違うパソコンと単純に比較はできませんが、初期のファミコンは8ビットCPU、スーパーファミコンは16ビットCPUが搭載されていました。

ニンテンドウ64は、その名のとおり64ビットCPU、プレイステーション2は、なんと128ビットCPUが搭載されています。ゲーム機の価格の安さに驚きますし、石原東京都知事も当時絶賛していました。

そのほか、CPUの処理性能をあらわす指標として、1クロック(1周波数)でいくつの命令を処理できたかをあらわす「IPC(アイピーシー)」という単位や、1秒間に何百万個の命令を処理できるかをあらわす「MIPS(ミプス)」などがあります。

このあたりは多少専門的になってしまいますが、IPCを使うと、IPC×クロック周波数で、1秒間にいくつの命令を処理できるのかがわかります。

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更新履歴

2008年7月25日
ページを公開。
2009年11月7日
ページをXHTML1.0とCSS2.1で、Web標準化。レイアウト変更。
2014年5月19日
内容修正。
2018年1月25日
ページをSSL化によりHTTPSに対応。

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参考文献・ウェブサイト

当ページの作成にあたり、以下の文献およびウェブサイトを参考にさせていただきました。

CPUのビット数
http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/hardware/cpu_bit.html
CPUの進化の歴史
http://asugi23.web.infoseek.co.jp/diyf/diy2b2.htm
64ビットCPU
http://www.nttpc.co.jp/yougo/

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