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マルチコアとマルチスレッド

2007年ごろまでは高クロック化により処理速度を上げていました。2005年ぐらいまではクロック数がどんどん上がり、MHzだった単位がGHzになったことがその現れです。 しかし、高クロック化は消費電力の高さと熱暴走の問題があり、3.8GHzあたりで高クロック化の流れは終焉します。その後、高クロックでの高性能化から離れ、複数同時処理ができるマルチコア化(複数のコア化)へと進みます。

複数同時処理(マルチスレッド)するマルチコア

CPU内部には命令を実行するコアがあります。いわゆる頭脳です。かつてはシングルコア(1コア)であり、高クロック化で処理能力を高めてきたのですが、消費電力の高さと熱暴走の問題でそのやり方に限界が来ました。

マルチコアとは
そして考えだされたのが、マルチコア化(複数コア)です。クロック数はほとほどにしておいて、CPUコアを増やすことで「仕事を複数同時処理してしまおう」というアイデアです。これをマルチスレッドといいます。例えばウィルススキャンしながら動画編集などをすることができます。

OSではWindows XP時点ですでに対応されています。ただしアプリケーションソフトがマルチスレッド対応でないと効果は発揮できません。

マルチスレッドの様子。クアッドコア編
例えばマルチスレッド対応のベンチマークソフト「CINRBENCH」にて、クアッドコア(4コア)で処理した場合。4箇所同時進行でレンダリング処理を行なっています。クロック数を無理に上げなくても、複数処理のため処理時間を短縮することができます。

マルチコアの種類

マルチコアとマルチスレッドマルチコアには、「2コア実装のデュアルコア、4コア実装のクアッドコア、6コア実装のヘキサコア」などがあります。2006年以降、マルチコアが一般的になってから1コア(シングルコア)はほとんどありません。

ブランドと
ナンバー
動作周波数(TB最大) コア数
(スレッド数)
キャッシュ システムバス
(DMI)
プロセス
・ルール
Core i3-550 3.20GHz(TBなし) 2コア(4) 4 MB 2.5GT/s 32nm
Core i5-750 2.66GHz(3.20GHz) 4コア(4) 8 MB 2.5GT/s 45nm
Core i7-860 2.80GHz(3.46GHz) 4コア(8) 8 MB 2.5GT/s 45nm
Core i7-980 3.33GHz(3.6GHz) 6コア(12) 12 MB 4.8GT/s 32nm

上位ブランドぼど実装するコア数が多い傾向にあります。4コア実装がメインストリームで、2コアはローエンドとみていいでしょう。

デュアルコア(2コア)

2コア
デュアルコアは2つのコアが作業を分担してデータを処理します。格下のCPUでも現在はデュアルコアが基本となっています。※キャッシュメモリの構造はアーキテクチャによって異なる。図はCoreマイクロアーキテクチャの例。

デュアルコア × 2 (非ネイティブの4コア)

擬似4コア
2007年ごろ登場した、インテル初のクアッドコア(Core 2 Quad)。ただし擬似タイプの4コアでした。つまりCPU内部ではコアが分断されており、厳密に言うと「デュアルコア×2つ」です。皮肉って「なんちゃってクアッドコア」なんて揶揄もされましたが、結構人気のあったCPUでした。

それでも複数同時作業(マルチタスク)において、同時期のデュアルコアより効果を発揮します。しかしマルチコアが必要とされない作業では、デュアルコアと大した性能差はありません。Core iシリーズ以降ではもはやこの構造は採用されていません。

クアッドコア(4コア)

ネイティブ4コア
2008年ごろ、Core iシリーズの初登場により、インテルがようやく真のクアッドコアというべき4コアCPUを投入しました。4つのコアがひとまとめ(1ダイ)に収められているので、非ネイティブの4コアに対して、ネイティブ・クアッドコアとも言われます。

ヘキサコア(6コア)

6コア
6コアを実装するとヘキサコアと呼ばれます。 シックスコアと呼ぶパソコンメーカもあります。ながらく高嶺の花でしたが、2018年ごろのCore i7-8700(CoffeeLake・第8世代)登場によって身近なものとなってきました。

HTテクノロジー(ハイパー・スレッディング・テクノロジー)で、擬似コア化

擬似的にCPUコア数を倍増させる技術があります。つまり、1コアに対して2スレッド動作をさせるのです。2コア実装であれば、擬似的に4コアになります。それがインテルのHTテクノロジー(ハイパー・スレッディング・テクノロジー)です。

第1世代Core i~
ブランドとナンバー
動作周波数-クロック
(TB最大)
コア数
(スレッド数)
キャッシュ システムバス
(DMI)
プロセス
・ルール
Core i3-550 3.20GHz(TBなし) 2コア(4) 4 MB 2.5GT/s 32nm
Core i5-750 2.66GHz(3.20GHz) 4コア(4) 8 MB 2.5GT/s 45nm
Core i7-860 2.80GHz(3.46GHz) 4コア(8) 8 MB 2.5GT/s 45nm
Core i7-980 3.33GHz(3.6GHz) 6コア(12) 12 MB 4.8GT/s 32nm

上の図で言うと、Core i3-550は2コア実装ですがHTテクノロジーがあるので擬似的に4コアとして動作します。つまり4コアと同じく4スレッド動作が可能です。一方、Core i5-750では4コア実装ですがHTテクノロジーがないため、コア数通りで4スレッド動作です。

HTテクノロジーでスレッド数が倍になる仕組み

HTテクノロジーの仕組み
CPUコアには元々、並列処理が可能な演算機構が備わっています。(図ではブロックで表現)。 命令の流れが1系統だと、処理内容によって待機状態の演算機構が生じます。(図では空白のブロック)。

これは勿体無いということで、HTテクノロジーの出番です。 命令の流れを2系統にすることで、待機状態の演算機構を極力減らし効率よく処理していきます。命令の流れが2系統なので、2スレッド処理なのです。OSやソフトウェアからは2コアとして認識されます。

HTテクノロジーだと1コアがビジーなので物理的に2コアのほうが優位ですが、それでも1コアを有効的に処理させる技術です。HTテクノロジーの搭載はCPU製品によって有無があります。

4コアで8スレッド
例えば、HTテクノロジーを搭載する4コアでは、倍増で8スレッド動作します。Windowsタスクマネージャの「CPU使用率の履歴」を見ると8ブロックに分かれており、システムからは8コアとして認識しています。
勘違いしてはいけないのは、HTテクノロジーによって速度が2倍になるわけではなく、あくまで効率化です。内容にもよりますが、マルチスレッド対応のソフトなら30%ぐらいのパフォーマンスアップを期待してもいいでしょう。

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