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 トップページテクの雑学 > 第48回 パソコン高速化の決定打? −デュアルコアCPUのしくみ−
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パソコン高速化の決定打? −デュアルコアCPUのしくみ−

 2005年4月19日、インテルが世界初の「デュアルコアCPU」となる「Pentium Extreme Edition」を発表してから、早くも1年以上が経ちました。現在ではデュアルコアCPUを搭載するパソコンの種類も増え、価格もこなれてきたことで、次のパソコンはデュアルコアに…と考えている人も多いのではないでしょうか。
 ただし、注意してほしいことがあります。デュアルコアCPUを搭載するパソコンだからといって、すべての動作が速くなるわけではない、ということです。その理由も含めて、今回はデュアル(マルチ)コアCPUについて説明したいと思います。

CPUコアの基本構造
 「コア」とは、その名の通りにCPUの核となる内部回路です。内部には演算回路、キャッシュメモリ、レジスタといった、演算処理にかかわるユニットが統合的に配置されています。
 現在市販されているCPUでは、CPUクーラーを脱着する際のコア損傷を避けるとともに、放熱効率を高めるための金属板が装着されているためにコアは目視できませんが、PentiumⅢやAthlon XPといった少し古いCPUでは、CPUパッケージの中央部分にコアそのものが見えていました。

 デュアルコアCPUとは、その名の通り、1個のCPUパッケージの上に2個のコアが搭載されているものです。現状では1パッケージあたり2個のコアを搭載しているので「デュアルコア」と呼ばれていますが、今後はクアッド(4)コアなど、より多くのコアを搭載する製品の開発も予定されているため、一般名詞としては「マルチコア」「メニーコア」といった呼び方も根付きつつあります。

 コアの数を増やすメリットは、同じ時間内に処理できる計算の数が増えることにあります。
 OSでもアプリケーションでも、プログラムがCPUによって処理される工程は、以下のような流れが基本になっています。
  1. プログラムをメモリ上にロード(展開)する
  2. CPUがプログラムを処理するための単位「プロセス」が生成される
  3. プロセスを保持する「プロセスメモリ空間」が作られ、物理メモリにマップされる
  4. プロセスメモリ空間の先頭から、プログラムが順次実行される
 Windowsは「マルチタスクOS」とされていて、一見すると同時にいくつものプログラムが走っているように見えます。しかし、特にWindows9x系では、実際に処理できるプロセス(もしくは、後述する『スレッド』)はひとつだけで、他のプロセスは処理の順番待ちをしていなければなりませんでした。

シングルコアCPU

 この待ち時間を減らすことが、すなわち動作の高速化につながります。そのためにできることは、まずCPUの動作速度を高めることです。動作速度が2倍になれば、理論上は同じ処理を半分の時間でこなせることになります。実際には各種のオーバーヘッドなどが生じるため、処理速度は2倍にまでは達しませんが、それでも確実に高速化します。
 もうひとつの手法は、「1クロックあたりの処理効率」を高めることです。CPUのクロック周波数自体が同じでも、1クロックで処理できる「量」を増やせば、その分だけ全体の処理が高速化するわけです。

リーク電流とは
 しかし、CPUの設計コンセプト上、動作速度の向上と1クロックあたりの処理効率向上はえてして相反する関係にあります。従来、Intelは(特にPentium 4以降)おもに動作速度の向上を、AMDはおもに1クロックあたりの処理効率向上を重視した設計によってCPUの高性能化を図ってきましたが、クロック周波数が3GHzを越えたあたりで、「リーク電流」の問題に直面し、それ以上の高クロック化が難しくなってしまったのです。

 ここではおおざっぱな説明に留めますが、リーク電流とは、トランジスタの内部で動作とは無関係に漏れ出す電流のことです。
 高速動作のためには、CPUコアをより微細に製造する必要があります。CPUが行なう演算の原理を突き詰めると、「ゲート」のオン/オフということになります。1GHzのCPUが1クロックを刻む時間に、光が進める距離は約30cm。それだけのわずかな時間にオン/オフ動作を行ない、次のゲートに電流を渡すためには、ゲート間の距離が小さい=製造プロセスが微細である方が有利になります。また、製造プロセスが微細であるほど、より低い電圧で駆動できる=動作による発熱を低減できるメリットもあります。
 ところが、微細化と低電圧化が極限まで進んだことによって、ゲートのオン/オフとは無関係なリーク電流が増大、動作の高速化には貢献しないにもかかわらず発熱だけを高めてしまうという、大きな問題が立ちはだかってきたのです。

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