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基本中の基本!パソコンの頭脳パーツ

CPU選びの知識(Central Processing Unit)

CPUを一言で言えば「パソコンの頭脳」であり、汎用的なデータを処理する電子回路です。このCPUが中心となりパソコン全体を制御しているので、パソコン選びで真っ先にチェックするパーツです。 ここではインテルCPUをメインにしています。

CPU選びの基本

プラットフォーム(マイクロアーキテクチャ)解説

CPUベンチマークテスト

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CPU(Central Processing Unit)とは

CPUとは、コンピュータシステムにおいて処理装置として中心的に働く電子回路パーツです。日本語ではCentral Processing Unitを直訳して「中央演算処理装置」と言います。集積回路として半導体マイクロチップを実装するため、マイクロ プロセッサ(Micro Processing Unit)ともいいますが、ゆえに「プロセッサ、MPU」とも呼ばれます。ほとんどが、CPUかプロセッサのどちらかで呼ばれます。

CPUはメインメモリ(主記憶装置)からプログラムを取り込んで解読し処理します。「フェッチ(命令の取り込み)⇒デコード(命令の解読と取り出し)⇒実行」という流れで命令処理を行います。ほかには、HDDやメモリといったパソコンを構成しているパーツや、接続しているマウスやキーボードなど(いわゆるデバイス)の制御も行います。

ちなみに、CPUの仲間にはGPU(Graphics Processing Unit/画像処理装置)があります。このGPUは画像処理を専門とした頭脳であり、CPUよりも「単純かつ膨大な量のデータ」を短時間で処理する能力に長けています。CPUは汎用的に何でも計算できますが、グラフィック処理に多い「単純かつ膨大な量の計算」をGPUに分業させ、効率化しています。役割を制作会社で例えるなら、「CPU=管理職・営業職」で「GPU=美術スタッフ」となります。

本格ゲームにCPUのスペックは重要?

ゲーミングPCでは美麗な描写処理を担うグラフィックカード(単体GPU)が重視されますが、CPUも軽視できません。炎、煙、風、速度などの自然現象をシミュレーションする物理演算、NPC (non player character-プレイヤーが操作しないキャラクター)を動かす人工知能AIはCPUが担うからです。ゲームの場合、CPUに過剰なスペックは不要ですが、基準に満たない場合は見直したほうがいいでしょう。

マイクロアーキテクチャとは

CPUには実行ユニットとして演算装置(ALU:Arithmetic Logic Unit)、浮動小数点演算処理装置(FPU:Floating Point Unit)を実装しています。そして、フェッチやデコードを行う「制御ユニット」、データを格納する「レジスタ」、キャッシュメモリを実装します。装置と接続する経路を「バスインターフェース」と言います。これらの仕組みを利用したCPU内部構造のことをマイクロアーキテクチャといいます。簡単にいうと「設計」です。世代ごとに改良や刷新がされ、CPUの性能や電力効率を向上させています。

インテルのマイクロアーキテクチャマイクロアーキテクチャの図解例

64bit CPUとは

2009年に登場したWindows 7あたりから急速に32bitから64bitへの移行が進みました。「64bit CPU」というのは64bit空間を制御できるCPUのことを言います。例を挙げると、32bit CPUのアドレスでは4GBメモリまでの上限が有りますが、64bit CPUではその制約がなく、テラバイト単位の巨大なデータベースが扱えます。

64bitに拡張した命令セットアーキテクチャをx64(Intel 64命令セット・旧名ではEM64T)といいます。2003年ごろには実装が進んでおり、現行品ではほとんど対応済みです。32bitの命令セットである「x86」と互換性を持つことからx86-64と呼ぶ場合もあります。

2大メーカー!インテルとAMD

AMDよりもインテルがいいのか
1968年に設立。

インテル

CPUのほか、チップセット、フラッシュメモリなどを製造する半導体メーカー。選ぶ理由としてインテルの「高いシェア」にメリットがあります。 ソフトウエアや周辺機器メーカーは、インテル製CPUを搭載したパソコンで検証されることが多いので、理論上での安心感が得られます。

CPU製品の展開ではチックタック戦略をとっています。2年ごとに新アーキテクチャ(前世代と互換性のない新基本設計)を登場させ、そのうちの1年目にはプロセスルールの微細化(設計はそのままで、半導体回路の配線の幅を微細化)を行います。単純に言うと、2年ごとに買えば新アーキテクチャである。新アーキテクチャ登場の1年後に買うと、互換性を持ったリニューアル製品と言えます。(近年はチックタック戦略も的確ではなくなっていますが・・。)

インテルとAMDどっちにする
1969年に設立。

AMD(アドバンスト・マイクロ・デバイセズ)

CPUのほか、GPU、フラッシュメモリなどを製造する半導体メーカー。もとはインテルが開発した半導体を許諾生産(セカンドソース)するメーカーでしたが、インテルの打ち切りを機に独自開発に乗り出しました。

2006年にAMDはGPUメーカーだったATI社を買収しており、CPUとGPUの2大プロセッサを扱っているメリットがあります。同社製の組み合わせによって安定感や新テクノロジーに期待ができます。 ローエンドからハイエンドまで、性能に対するコストパフォーマンスがインテルよりも良い傾向にあります。メーカーパソコンではエントリーモデルにAMDを採用することが多いです。

パソコン向けのCPUを開発・製造しているメーカーは「インテル」と「AMD」の大手2社で占めています。8割以上のパソコンがインテルCPUと言われます。しかしインテルとAMDとでは、技術力に圧倒的な差があるわけではありません。インテルが営業戦略に長けていることが第一に挙げられます。パソコンメーカーはインテルCPUを採用したパソコンを多く投入するため、必然的にインテル仕様パソコンのユーザーが多いわけです。

CPUの構造と配置

CPU製品はパッケージ化
CPUは規格に応じたソケットに設置されます。インテルの場合、LGA(ランド・グリッド・アレイ)と呼ばれ、LGA 775、LGA 1156、LGA 2011のような呼ばれ方をしますが、これらの数字はピンの本数を表しています。

CPU製品はパッケージ化
CPU製品は、上面に放熱用の金属(ヒートスプレッダ)でカバーされており、内部には核となるダイを配置、そして底面ではソケットに接するピンが並んだ構造となっています。つまりCPU製品はパッケージ化されています。特にデスクトップ用CPUでは、カスタマイズ換装できるように、ソケットから着脱できるパーツとなっています。

CPU製品はパッケージ化ヒートスプレッダをこじ開けると、ダイが確認できます。このダイとは集積回路が焼き付けてあるシリコンウェハ・チップであり、半導体チップ・ICチップとか呼ばれるものです。

ダイの元である、シリコンウェハ

シリコンウェハ
半導体を取り出すシリコンウェハ
ダイはシリコンウェハと呼ばれるシリコン結晶の円盤スライス板に、数百個ほど形成されます。この形成とは、シリコンウェハにトランジスタなどの素子や配線を焼き付けることです。シリコンウェハから切り出したダイを基板に載せ、加工したものがCPU製品となります。 ※関連記事【クロック数が高いほど値段が高い理由

CPUクーラー

CPUクーラー
CPUは発熱性が高く、熱暴走を防ぐためCPU上部に乗っかかる「CPUクーラー」によって冷却されます。一般的なパソコンではファンを用いた空冷式ですが、上級者向けには静音の水冷式があります。ヒートスプレッダを通してダイが冷却されます。

ノートパソコンでも基本
一般的なノートパソコンでも基本はデスクトップ用と同じです。ただし、CPUの真上にクーラーを乗せると筐体が大きくなってしまうため、クーラーファンはやや離れた位置に設置され、ヒートパイプやフィンの熱伝導を利用して冷却します。

ファンレス構造PCのCPU

インテルAtom
ネットブックやタブレットPCでは小型筐体ゆえファンレス構造が多く、クーラーなしでCPUが直付されています(インテルAtomなど)。冷却対応はせいぜい放熱用のヒートスプレッダくらい。このような用途のCPUは極めて低消費電力かつ低発熱設計されているのが特長です。

DELL Inspiron3052ファンレス構造の一体型パソコンの例。CPUの上に冷却用のヒートシンクが載せられている。

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