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駆け出しエンジニアの気ままにブログ

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CPUの基本について改めてまとめてみる。  

CPU(Central Processing Unit)は、コンピュータなどにおいて中心的な処理装置として働く電子回路のことである。中央処理装置や中央演算処理装置などと訳される。
CPUはプログラムによって様々な数値計算や情報処理、機器制御などを行う。CPUは通常はハードウェアであるプロセッサにより実現され、現代のプロセッサの大多数はマイクロプロセッサである。最近の製品では一つのCPUがコア化され、その複数が一つのマイクロチップに実装されプロセッサ・パッケージ内に収められているもの(マルチコア型)も多い。(Wikipediaより)

ということで、今回のテーマは「CPU」です。

コンピュータの基本ですが、基本なだけに奥が深い。

今回は、CPUの種類と関連技術について、以下4つの切り口でまとめていきます。

・CPUの種類(インテルとAMD)
 
・CPUの処理速度と省電力化
 
・製造プロセスの微細化
 
・CPUのマルチコア化

 
・CPUの種類(インテルとAMD)

市販のパソコンに搭載されているCPUは大きくIntel社のものと、AMD社のものがあり、それぞれ、大まかに以下のような種類があります。
# いろいろな性能比較サイトや本があるので、調べてみると面白いですよ。

ーーーーーー
<インテルCPU>
Xeon ( 企業向けの高価格CPU )
Core i7 ( 高機能&高価格CPU )
Core i5 ( 一般向けの高機能なCPU )
Core 2 Quad ( i7 の前に主流だったCPU )
Core i3 ( 価格も性能も標準のCPU )
Core 2 Duo ( i5 と Quad の前に主流 )
Pentium ( i3より低機能&低価格 )
Celeron ( かなり機能を抑えた廉価版 )
Atom ( 性能と消費電力が最も低い CPU )

<AMD CPU>
Opteron ( 企業向けサーバー用のCPU )
FX ( 8コア CPU )
Fusion ( グラフィック性能を融合したモデル )
Turion II Neo ( Athlon Neoの後継機種 )
Athlon Neo ( 超薄型モバイルPC用 )

(引用元:パソコン入門 http://korobehashire.blog86.fc2.com/blog-category-23.html
ーーーーーー

インテルと比較すると、全般的にAMDのCPUはコストパフォーマンスに優れています。
インテルのCPUでは、Land grid array (LGA) 方式(※1)が採用されています。
これまでのインテルは、およそ5年スパンのロードマップで、新しいスロットに対応するCPUを発表してきました。
Core i5、Core i7いずれもSandy Bridge世代のCPU。主な違いは、Smartキャッシュ容量、HyperThreading(※2)の有無です。

※1)LGAとは、電子部品を容易に交換するための接点構造の一種。マザーボード側に品が埋め込んであるのが特徴で、CPU側の接点は平面になっている。 LGAソケットには複数の規格があり、マザーボードのCPUソケットに適合するCPUを選ぶ必要がある。
※2)HyperThreadingは、コアの処理中に生じるレジスタやパイプラインの空きリソースを有効利用するための技術。 HyperThreadingを実装したCPUは、各コアに2つのバスをもっているため、OSは物理コア数の2倍のコアがあるように処理を行う。


・CPUの処理速度と省電力化

CPUの性能を決める要素として重要なのが「処理速度」と「省電力化」です。
排熱の問題から、CPUの消費電力の上限はほぼ決まっており、その中で性能の向上を目指す必要があります。 「動作クロックの引き上げ」や「キャッシュメモリの増加」は、イコール「消費電力の増加」と言えます。 また、「省電力化」=「バッテリ稼働時間の向上」であり、CPUの省電力化は必要不可欠な要素となっています。

CPUの省電力技術は、大きく以下の2つに分けることができます。
・CPUの稼働状況に合わせて最適な消費電力状態を維持することで、平均的な消費電力を下げる技術
・根本的な省電力化、つまりフルロード時(最大化同時)の消費電力を下げる技術

稼働状況に合わせてた電力管理の手法として、現在のCPUは、負荷状況に応じた「動作ステート」を持っています。
「動作ステート」ごとに動作クロックや駆動電圧を切り替え、さまざまな省電力技術を組み合わせることで、段階的に省電力を抑えていきます。
根本的な省電力化の技術には、製造プロセスの微細化があります。
製造プロセスの微細化によって小型化したトランジスタは、より低い「しきい電圧」での動作可能になります。 つまり、駆動電圧を引き下げることが可能になるため、「製造プロセスの微細化」は、「低電圧化」につながります。 ところが、製造プロセスが90nmに突入したあたりから、CPUの駆動電圧は「1V強」で足踏みを続けています。 「しきい電圧」が低すぎると、ゲート電圧を加えていないのにソース・ドレイン間に電流が流れてしまう、サブスレッショルド・リーク電流が増大してしまうためです。 リーク電流は無駄な電力消費となり、発熱の増大に繋がります。


・製造プロセスの微細化

製造プロセス技術の向上は、CPUの発展に欠かせない要素です。 製造プロセスを微細化すると、「生産性が向上」し、「低電圧駆動」になり、「動作クロックの向上で、処理速度もアップ」することになります。

製造プロセス微細化のメリット
・生産性の向上
・低電圧化
・高クロック化

製造プロセスの微細化は、各世代で0.7倍の違いとなるのが通例となっており、CPUの製造プロセスも「130nm→90nm→65nm→45nm→32nm」と、約0.7倍ずつ微細化が進められてきた。 製造プロセスが0.7倍になると、シリコン・ダイの面積は0.7*0.7=0.49と、約半分にすることができます。

微細化による障害
製造プロセスが90nm世代に入ったころから、微細化による障害が出てくるようになりました。 その一つがリーク電流です。CPUで問題となっているリーク電流は、サブスレッショルド・リーク電流(ソース・ドレイン間で買ってに電流が流れてしまう)とゲート・リーク電流(量子トンネル効果で、絶縁膜をスリ抜けて電流が流れてしまう)の2種類がある。 製造プロセスが10nm台に突入すると、トランジスタのしきい電圧のバラツキが酷くなりすぎるため、マージンを取るために「しきい電圧」を上げなければならなくなるのではないかという予測も出ています。


・CPUのマルチコア化

CPUの「マルチコア化」は昨今のCPUには欠かせない技術です。 「マルチコア化」は、単純に考えて2つ以上のCPUコアを1つにまとめたものと見ることができます。

一般的に、「マルチコア」と「シングルコア」のCPUを比較した場合、マルチコアCPUのほうは動作クロックの上限が若干低くなっています。

「マルチコアCPU」の駆動電圧と動作クロックが「シングルコア」の80%に抑えられていた場合、「マルチコアCPU」の1つのコアの消費電力を「シングルコアCPU」と比較すると、動作クロックで「0.8」、駆動電圧で「0.8の2乗」となり、これらを掛け合わせると「0.8の3乗=0.512倍」となります。 動作クロックが80%に抑えられていても、「デュアルコア」がフル稼働する状態であれば、「シングルコア」の約1.6倍のパフォーマンスを発揮するため、十分な性能と言えます。 このように、1つのコアの性能を少し抑えるだけで、消費電力を増やさずに「マルチコア化」できるのが、「マルチコアCPU」の特徴となっています。

ということで、今回は以上です。





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