プロセッサの種類と性能
低頻約 34 分5 用語過去問 18 題
この単元の目標
- CPU が命令を取り出して解読・実行する流れと、32 ビット・64 ビットの違いを説明できる。
- CPU と GPU を得意な計算の違いで、マルチコアプロセッサ と クロック周波数 を性能を高める方法の違いで分けられる。
- クロック周波数 から 1 クロックの長さや 1 秒あたりの命令数を計算できる。
用語総表（5 語）
用語
CPU (中央処理装置) は、主記憶から命令を取り出して 解読 し、演算を行いながらほかの装置を 制御 する、コンピュータの中核となる装置である。
CPU の中には、次に取り出す命令の番地 (アドレス) を覚えておく プログラムカウンタ などの小さな記憶回路 (レジスタ) がある。CPU はこの番地に従って命令を 1 つずつ取り出し、解読して実行する流れを繰り返す。32 ビット CPU・64 ビット CPU の数字は、一度にまとめて扱えるデータの幅を表す。
たとえレシピ帳を 1 行ずつ読んで料理を進める料理長のようなもの。しおりで次に読む行を覚えておき、読んで意味を考え、手を動かしてから次の行へ進む。
覚え方CPU の C は Central (中央)。装置の真ん中で全体を指揮する役だと名前が示している。
出題のポイント
- 出題CPU は命令を主記憶から取り出し、解読し、実行する流れを繰り返す。どの命令を取り出すかは、次の命令の番地を保持する プログラムカウンタ が示す。
- 出題64 ビット CPU は 32 ビット CPU より一度に扱えるデータの幅が広く、番地で指定できる記憶領域の上限も理論上大きい。
- 出題互換 CPU は元の CPU と命令の体系をそろえて作られた別製品の CPU で、元の CPU 向けの OS やアプリケーションをそのまま動かせる。
この用語の過去問 3 題 CPU →
マルチコアプロセッサ は、命令を処理する中核部分である コア を 1 つのプロセッサの中に複数持ち、コアごとに別々の処理を 同時に 進めるプロセッサである。
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コアが 2 つのものを デュアルコア、4 つのものを クアッドコア と呼ぶ。プログラムの中で実行される一続きの処理の流れの単位を スレッド という。処理の中には順番にしか進められない部分があるため、コアを増やしても性能の伸びはコア数に比例するとは限らない。
たとえレジが 1 台だけの店にレジを増やすようなもの。並んだ客をそれぞれ別のレジで同時に会計できる。
覚え方デュアルは二重唱 (デュエット) の 2、クアッドは四重奏 (カルテット) の 4 と同じ語源で、コアの数を表す。
出題のポイント
- 出題マルチコアプロセッサの狙いは、各コアに異なる仕事を割り当てて並行に進め、システム全体でこなせる処理量を増やすことにある。
- 出題コア数はプロセッサ内で命令を処理する中核部分の数で、2 個ならデュアルコア、4 個ならクアッドコアとなる。
- 出題1 つのプログラムを複数のスレッドに分けて並行に進める方式を マルチスレッド といい、分けたスレッドは別々のコアが同時に受け持てる。
この用語の過去問 3 題 マルチコアプロセッサ →
GPU は、立体画像の描画や動画の表示に必要な大量の計算を、多数のコアで 一斉に 処理する画像処理向けのプロセッサである。
画面の画素ごとに同じ種類の計算を繰り返す描画処理は、単純なコアを多数並べて同時に計算すると速くなる。GPU はこの種の計算を CPU から引き受けて担当し、CPU は全体の制御やほかの処理に専念できる。
たとえ大きな壁画を、ます目ごとに大勢で分担して同時に塗っていく作業班のようなもの。一人ひとりの作業は単純でも、人数が多いので全体が早く仕上がる。
覚え方GPU の G は Graphics (図形・画像)。CPU と 1 文字違いで、何を専門にするかが頭文字に表れている。
出題のポイント
- 出題GPU は描画のための計算を得意とするプロセッサで、その速さは多数のコアによる並行処理から生まれる。
この用語の過去問 3 題 GPU →
GPGPU は、GPU が持つ大量の計算を同時にこなす能力を、画像処理以外の 汎用計算 に使う技術である。
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機械学習の学習処理や科学技術計算のように、同じ形の計算を膨大な回数繰り返す処理は、GPU の多数のコアに分けると速く終わる。名前は General-Purpose computing on GPU (GPU による汎用計算) の略である。
たとえ壁画を一斉に塗るために集めた大勢の作業班に、今度は大量の書類の集計を分担させるようなもの。人数の多さという強みはそのままで、仕事の中身を絵以外に広げている。
覚え方GPU の前に GP (General-Purpose = 汎用) を付けた形。前に付いた 2 文字が「画像以外にも」を表す。
出題のポイント
- 混同注意GPU は装置 (チップ) そのものの名前で、GPGPU はその GPU を汎用計算に使う技術 (使い方) の名前である。
この用語の過去問 1 題 GPGPU →
クロック周波数 は、プロセッサが動作の歩調をそろえるために使う クロック信号 が 1 秒間に刻む回数で、単位は Hz (ヘルツ) である。
1 クロックの長さは周波数の逆数で、1 つの命令にかかる時間は「命令に要するクロック数 × 1 クロックの長さ」で求める。例えば 4 GHz で 8 クロックかかる命令は 1 つに 2 ナノ秒かかり、1 秒間に 5 億回実行できる。性能はクロック周波数だけでなく、コア数やキャッシュメモリなどほかの要素にも左右される。
たとえボート競技でこぎ手のリズムをそろえる掛け声のようなもの。掛け声の間隔が短いほど、同じ時間に多くこげる。
覚え方クロックは英語で時計。時計の秒針のように一定の間隔で刻む信号だと思い出す。GHz の G (ギガ) は 10 億。
出題のポイント
- 出題1 命令の実行時間はクロック数を周波数で割って求め、1 秒間に実行できる命令の回数は周波数をクロック数で割って求める。
- 出題クロックは命令を実行するタイミングをそろえる信号で、1 GHz は毎秒 10 億回刻む。同じ構造の CPU どうしなら、周波数が高いほど処理は速い。
- 出題同じ種類の CPU では周波数を上げるほど発熱が増え、放熱の対策が要る。発熱や消費電力に余裕があるときだけ周波数を一時的に上げる技術を ターボブースト という。
この用語の過去問 3 題 クロック周波数 →
「マルチコアプロセッサ」と「クロック周波数」の違い
要点
- CPU は、プログラムカウンタが示す番地から命令を取り出し、解読して実行する流れを繰り返す。
- マルチコアプロセッサはコアごとに別の処理を同時に進め、プログラムを複数のスレッドに分けるとその力を生かしやすい。
- GPGPU は画像処理用の GPU を機械学習などの汎用計算に使う技術である。
- 1 命令の時間はクロック数を周波数で割って求める。1 GHz は毎秒 10 億回の刻みである。
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