CPUの基本的なスペックのお話

CPUのスペックに関する説明をする前に、CPUの構造に関して少して簡単にではありますがお話しようと思います。

もしCPUのスペックの意味などが知りたいと言う場合は、その項目の内容を直接ご覧いただければと思います。

もしお時間のある方は、構造のお話からちょっとお付き合いいただければと思います。

CPUの基本的な製造方法と構造

まず、私たちが見る事のできるCPUの外装のことをパッケージ、下から出ている接続用の突起のことをピンと呼びます。

パッケージの中には、ダイと呼ばれるものが取り付けられています。

このダイが実際のところのCPU本体で、CPUのスペック表などではダイの中の情報を処理しているブロックのことをコアと表記しています。

CPUの作り方ですが、シリコン（ケイ素）を円柱状に単結晶化したものを1mm程度に薄くスライスして、円盤状のシリコンウェーハを作ります。

形としては、大きなハムを薄切りにしていく感じで、シリコンウェーハの大きさは今のところ直径30cmくらいです。

この薄切りにしたシリコンウェーハを研磨するなどして鏡面加工して、酸化膜を焼き付けた上に感光剤を塗って、紫外線などの光をマスクパターンに当てレンズで小さくして露光することで感光剤を反応させます。

感光剤が反応したら現像液で洗い流し、その下に現れた酸化膜を腐食剤で溶かすと、シリコンウェーハがその下に現れます。

残っていた感光剤を洗い流した後に必要なイオン（ホウ素・リン・ヒ素など）を入れると、酸化膜の無くなったところから露出しているシリコンウェーハにはトランジスタやダイオードなどの素子が作られます。

ここにアルミニウムを蒸着させ素子を結び付けて、不要なアルミニウムを削り取ります。

これがCPUのもとになる基盤なのですが、一枚のシリコンウェーハには一度にいくつものCPU用の回路が作られます。

そのため、シリコンウェーハを切り出して一つのCPUに加工します。

これでダイのできあがりです。

製造されたダイは同じ工程で作られていても出来の良し悪しにはばらつきがあります。

良くできた製品は動作周波数が高くても動くため高性能モデルに、普通にできたものやあまり良くなかったものはそれより動作周波数の低いモデルとして出荷されます。

 

これが、どのCPUにも共通した基本的な製造方法と構造です。

それでは、これを踏まえたうえで、CPUのスペック表に書かれている内容がなにを表しているのかをお話していきたいと思います。

CPUのスペック表に書かれている内容

CPUの比較をするうえで、最初に目にするのはスペック表だと思います。

どうしてこのCPUが高いのか、どういう性能を持っているのかが書かれているわけですが、その各内容に関してお話していきたいと思います。

 

プロセッサ名

CPUの種類を示す名前です。

そのCPUが大まかにどのシリーズに属しているのか、そしてグレードはいくつなのか、オプションで何か機能がついているのかが書かれています。

Intelの場合

インテルの代表的なCPUであるCore iシリーズを例に挙げてみましょう。

 

例　Core i5 9600K

 

Coreがブランド名で、CPUのシリーズだと考えていただければ良いと思います。

同じCoreブランドのCPUをCoreファミリーと呼んだりもします。

Intel側で記載する場合は、Intel Coreが正式なブランド名となりますが、一般的にはIntelなのはわかっているため省略されています。

Core以外にも、Pentium・Celeron・Atomなどが用意されています。

古いタイプのCPUであるCore2DuoやCore2Quadは、正確に書くとIntel Core™2 Duo processorとなり、これがすべてブランド名となります。

 

i5がブランド識別子です。

Coreファミリーにはi9・i7・i5・i3・Mのブランド識別子があり、性能は記載順に高くなっていて、Mはモバイル向けとなっています。

Coreファミリーの第1世代であるi7-940や第2世代のi7-2600の場合は、これをまとめてナンバーとしており、ブランド識別子という分類はされていませんでした。

i5の部分をブランド識別子として扱う表記は、第3世代から採用されています。

Core2DuoのころはE8500などと記載されており、これがナンバーとなります。

頭文字のアルファベットには、デスクトップ向けでTDP≧55WのE、ノート向けでTDP12～19WのL、ノート向けでTDP20～29WのP、ノート向け大パフォーマンスのQ、デスクトップとノート向けクアッドコアのQXが用意されていました。

 

9600の1桁目が世代番号で下3桁がSKUナンバーを表します。

9600の場合第9世代のCPUであるということがわかります。

この表記は第3世代から始まっていますが、第2世代も2***というところは共通しています。

下3桁は在庫管理ユニット番号で、クロック周波数が同じCPUを管理するためにIntelが振り分けた番号です。

基本的に、ブランド名・ブランド識別子・世代が同じであれば、番号が大きいほど動作周波数が高くなっていて高性能です。

 

末尾のKですが、これはプロセッサー・ラインを示すアルファベットで、CPUの特徴を説明しています。

オーバークロックできるようにアンロック対応されているK、モバイル向けでパッケージにディスクリート・グラフィックス（画像処理用のGPU）を含むG、モバイル向けで超低消費電力のU、第7世代以前ですとハイパフォーマンス・グラフィックスのH、ハイパフォーマンス・グラフィックスでアンロック対応のHK、ハイパフォーマンスク・グラフィックスでアッドコアのHQ、極低消費電力のY、低消費電力重視のT、ノートパソコン向けXeonのM、LGA1150パッケージのハイパフォーマンス・グラフィックスでアンロック対応のC、ノートパソコン向けBGA1364パッケージのハイパフォーマンス・グラフィックスのRと様々です。

最近のCPUで見られるのは、主にK・G・Uかと思われます。

無印の場合はスタンダードモデルで、一般的な仕様とも言えます。

AMDの場合

AMDの新しいシリーズであるRyzenシリーズ

例　Ryzen 5 2600

 

最初のRyzenがブランド名となります。

次の数字の5がグレードになります。

Ryzenには、最上位からThreadripper・7・5・3の順にグレードが分けられています。

2600の1桁目の2が世代を表していて、このCPUの場合は第2世代となり、第1世代は1になっています。

2桁目の6がセグメントを表していて、4・5・6がハイパフォーマンス、7・8・9がハイエンド、これら以外がメインストリームに分けられています。

最後の00がCPUの型番となります。

またRyzen 5 2600はスタンダードモデルなので無印のままで終わりですが、末尾にアルファベットが付くモデルがあります。

末尾のアルファベットによって、XFRとハイパフォーマンスのX、グラフィック搭載のG、省電力のT、省電力とグラフィック機能搭載のS、無印のスタンダードモデル、ノートパソコン向けでTDPが35WのH、ノートパソコン向けでTDPが15WのUがあります。

XFRというのは、パソコン内部の冷却状況などを考慮して、自動的にオーバークロックが行われる機能です。

XFR自体はRyzenプロセッサには標準で搭載されていて、第2世代のデスクトップ向けRyzenにはXFR 2が搭載されています。

 

今後のAMDが出してくるCPUはRyzenが主流になると思いますが、それ以前の代表的なモデルに関してもちょっとお話させていただきたいと思います。

FXシリーズ

例　FX-8350

 

FXがブランド名になります。

数字の1桁目はコアの数を示していると推測できて、例の場合は1桁目が8ですので8コアのCPUになります。

ただここで分からないのが、FX-9***というモデルもありこれも8コアです。

1桁目が単純にコアの数を表しているわけでは無いようですが、8・6・4のそれぞれはこの法則性に従っていると考えて問題なさそうです。

残った3桁は管理番号で、グレードと世代が同じであれば、数字が大きいほど高性能なモデルになります。

例に挙げたCPUではありませんが、末尾にアルファベットのEが付くモデルがあります。

FX-8320Eが該当しますが、この場合末尾にEがあるモデルには無印のモデル、ここではFX-8320が存在していて、BASE CLOCKを低下させデフォルトTDPを下げています。

FX-8320の場合、無印が125Wに対して末尾Eは95Wです。

また、with Wraith coolerと記載されているモデルがありますが、これは従来のリテールクーラーよりも大型のクーラーが付属していますので、マザーボードへの取り付け時にメモリとの干渉が無いか確認してから購入されることをお勧めします。

Aシリーズ

例　A12-9800E

 

Aがブランド名になり、このシリーズはAMDが販売するCPUの中でもグラフィック機能が内蔵されているAPUと呼ばれるモデルです。

次の12はグレードを表しています。

2015年から販売されているExcavatorアーキテクチャでは性能が高い順に、12・10・8・6が用意されています。

次の4桁の数字の最初の9ですが、これは世代を表していて、9は第7世代です。

APUの世代は同じマイクロアーキテクチャの中にも複数あるため、例えば同じExcavatorの中にも第7世代の9と第6世代の8が存在しています。

マイクロアーキテクチャ・APU世代名・4桁の数字の最初の数を一覧にしてみたいと思います。

マイクロアーキテクチャ	世代名	番号
Zen	Raven Ridge	RyzenのGシリーズへ
Excavator	Bristol Ridge	9
Excavator	Carrizo	8
Steamroller	Godavari	7
Steamroller	Kaveri	7
Piledriver	Richland	6
Piledriver	Trinity	5

残った3桁の数字は管理番号で、グレードと世代が同じであれば、数字が大きいほど高性能なモデルになります。

最後のアルファベットですが、Eは省電力モデルです。

デスクトップ向けに、オーバークロック対応のK、省電力のEがあり、スタンダートモデルは無印です。

ノートパソコン向けに、コアが4つあるP、コアが2つの無印があります。。

5000番台のころのノートパソコン向けCPUであるPiledriverアークテクチャのTrinityには末尾にMがありました。

Athlon X4シリーズ

例　Athlon X4 950

 

Athlon X4がブランド名となります。

続く数字の1桁目の9が世代を表していて、9は第7世代です。

続く50がモデルナンバーで、同じブランド名・世代であれば、基本的にナンバーが大きいほど高性能になっています。

コア数

CPUのパッケージ内にいくつのコアがあるのか、その数が書いてあります。

コアとは、CPUの中でも情報の処理を行う場所で、CPUに送られてくるさまざまな計算を行います。

人間に例えると、コアは人の頭脳で、コア数は人数です。

何人の人間がいっぺんに作業することができるように待機しているのか、という感じです。

コア数が多いと、まったく違う作業を同時に処理することができます。

例えば、ゲームをプレイしながらネット配信をする場合ゲームプログラムの情報処理とネット配信ソフトの情報処理を同時に行わなければなりませんが、この情報処理を違うコアに分けて行うことができます。

このお話を書いている時点では、1つのダイの中に複数のコアを作成するのが主流です。

例えば、1つのダイの中に4つのコアがありそのダイを1つ使うCPUのコア数は4、もし同じパッケージ内にそのダイを2つ使えばコア数は8になります。

ダイの中にコア数を増やすのか、それともパッケージの中にダイの数を増やすのかは、ダイの中にどれだけのコアを詰め込むことができるのか、ダイの大きさをどこまで小さくできるのか、パッケージの大きさをどこまで大きくできるのかのバランスにかかっています。

スレッド数

CPUが同時に処理できる作業の数が書いてあります。

例えば、2コア4スレッドと言えば、2つのコアで4つの作業を並列してできる事を表します。

人間に例えると、全員でいくつの作業をいっぺんに処理できるのかを表していて、2コア4スレッドは2人で4個の作業をする感じです。

Intelではハイパースレッディング・テクノロジー（Hyper-Threading Technology,HTT）、AMDでは同時マルチスレッディング（Simultaneous MultiThreading,SMT）と呼んでいます。

このように並列して処理することをマルチスレッドと言います。

マルチスレッドに関しては、マルチスレッドの項目でお話したいと思います。

クロック周波数

パソコン内の回路が処理を行うタイミングを取るための信号が、1秒間に何回リズムをとっているのかを表しています。

人間でいうと、ダンスなどをみんなで合わせて踊るときの手拍子みたいなものです。

CPUのクロックのことを特に内部クロックと呼び、CPUが情報を処理する際のリズムが1秒間に何回あるのかを示していますので、数値が大きいほど1秒間にたくさんの処理をすることができます。

特に同年代で同グレードのCPUであれば、クロック周波数が高いほど処理能力が高い事を示しています。

ただし、高い処理能力が必要な場合にクロック周波数をさらに高める技術があり、この機能を搭載している場合は最大動作クロック周波数と呼ばれる項目が追加されます。

最大動作クロック周波数

通常のクロック周波数では処理が間に合わない場合、言い方を変えるとCPUの処理に大きな負荷がかかった場合ですが、条件が整うと一時的にクロック周波数を自動的に上昇させることができるCPUに記載されている項目です。

パソコンのCPUは、いつでも最大の性能を発揮する必要はありません。

ゲームのように処理を続けるプログラムならまだしも、ネットで文章を読んでいたり、エクセルやワードで文字を打った後に文章をじっと読んで確認していたり、人間は表示されている物を読んでいるので作業を続けている感覚なのですが、CPUにしてみると新しい処理を待っている状態みたいなものです。

そこで、CPUに高い負荷がかかる、ゲームの様に連続して高速処理が求められる作業が必要とされるときに、CPUのクロック周波数を一時的に高めることができるようにする技術があります。

IntelではTurbo Boost Technology、AMDではAシリーズではTurbo Core Technology、AMDのRyzenシリーズではSenseMI Technologyと呼ばれています。

キャッシュメモリ

CPUのダイ内部に用意されているメモリ領域で、CPUコアからのアクセスを最も高速に行うことができます。

マザーボードにCPUとは別に取り付けるメモリを外部メモリと呼ぶのに対して、キャッシュメモリのことを内部メモリと呼ぶこともあります。

CPUが命令を実行するためには、CPUから外部メモリに命令の要求をして、その結果CPUに命令が送られるのですが、同じ命令内容を繰り返し処理するような動作を行う場合、いちいち外部メモリに対してその都度命令を送り出させるのでは時間がかかってしまいます。

そのため、外部メモリからの命令を制御エリアで受け取るのと同時に、キャッシュメモリにもその内容を読み込んでおいて、その後の繰り返しの動作ではキャッシュメモリから繰り返し読み込みます。

これによって、外部メモリへの通信でかかってしまう時間を短縮することができます。

また、演算結果をキャッシュメモリに送ることで、そのまま次の演算にもその結果を素早く使用することができますし、結果の書き戻しを外部メモリに直接行おうとすると書き込みの終了までの待機時間がCPUの処理能力を低下させてしまいますが、キャッシュメモリを利用することで書き込み終了までの待機時間をできるだけ短くしています。

CPUでは、各コアに用意されている1次・2次キャッシュと、全コアが共通で使用する3次キャッシュでデータのやり取りを行うことで、効率的にデータ処理をできるような工夫がされています。

TDP

ざっくりいうと、CPUの消費電力のことだと思っていただいて良いのではと思います。

もう少し詳しくお話すると、TDPは熱設計電力（Thermal Design Power）の略でパソコンの設計をするうえでそのCPUがどの程度の電力を消費する設計で作られているのかが示されています。

TDPによって、どのような形状のパソコンに採用できるのかが決まってきます。

例えば、デスクトップパソコン向けのCPUのTDPは60～100w程度で、この場合大型の冷却ファンと部品とCPUに十分な空間、そしてケース内のエアフローが確保されている必要があります。

ノートパソコンに採用されるCPUのTDPは30W前後が多く、この場合はCPUから少し離れた場所までCPUに直接取り付けられたベースからヒートパイプを延ばし、その先に接続したヒートシンクをファンで冷却することで放熱が間に合います。

もちろん、特殊な冷却方法を使用することでノートパソコンのような狭い空間で高TDPのCPUを使用することは可能ですが、一般的な使い方とは言えないでしょう。

TDPはあくまで指標ですので目安としては使用できますが、普段使用しているときの絶対的な消費電力ではないことも頭の片隅に入れておいていただければと思います。

マルチスレッド

CPUでデータを並列処理する技術で、マルチスレッディングとも呼ばれます。

もともとCPUコアは1つしかありませんでした。

そのため情報処理を早くしようとすると、クロック周波数を高くする、違う言い方をすると1つの作業をできるだけ早く処理できるようにしなければなりません。

ただ、CPUのクロック周波数を単純に高くするだけではCPUの構造や発熱、周辺部品とのバランスなどから限界があります。

そこで登場するのがマルチスレッドです。

また、マルチスレッドにはパイプライン方式とスーパースカラー方式があり、現在はスーパースカラー方式が主流になっています。

簡単な図でちょっと見てみましょう。

1つの作業だけを行うシングルスレッドは、1つ目の命令が終わるまで2つ目の命令を処理することができません。

このためクロック周波数を高くすることで、命令1の作業を素早く終わらせることで全体の処理速度を速くすることを目指します。

CPUコアの中で情報を処理する手順を簡単に分けると、命令読み込みのIF、命令の解読のID、命令の実行のEX・結果の書き戻しのWBと4段階に分けることができます。

シングルスレッドでは、命令1の処理を行う過程で4つの手順のどれかを処理している間は、他の3つの処理も結果待ちの状態で待機してしまいます。

パイプライン方式では、命令1の結果待ちをすることなく命令1がIFからIDに移ったタイミングで命令2のIFでの処理が開始されます。

命令1の結果が出る前に命令2の作業を命令1の作業を追いかけるように開始することで、命令1のWBと同じタイミングで命令2のEXが終わります。

これを連続的に続けることで並列処理が可能な命令に関しては、シングルスレッドに対して処理能力が格段に上がります。

その代わり、シングルスレッドCPUに比べ、CPUコアに並列処理するための新たな制御回路が必要となり、その分ハードウェアが増えます。

パイプライン方式で並列処理しながら、さらにCPUの1コアの中に2つの命令を同時処理できるようにしたのがスーパースカラー方式です。

スーパースカラー方式では、コアの数を物理的に増やすのではなく、あくまで1コアを2コアのように動作させています。

これによりパイプライン方式に比べても、同じクロック周波数での並列処理をさらに効率よく行うことができます。

その代わり、パイプラインに更にコアを見かけ上2つにするための制御回路がさらに必要になります。

そして、現在のCPUの主流は、スーパースカラー方式による並列処理となっています。

パイプライン・スーパースカラー方式のどちらの並列処理に関しても共通する欠点として、製造コストの増加と性能が発揮できない場合があることがあげられます。

製造コストはシングルスレッドに比べ必要な回路が増えてしまう事によるものです。

性能の発揮できない場合というのは、命令2の処理が命令1のWBによって変化する場合で、この場合は命令1の結果が出なければ命令2を処理することが物理的にできませんので、並列処理のできるCPUであってもシングルスレッドと同じ手順で処理をするしかありません。

 

以上で簡単にではありますが、CPUのスペックの大まかな説明となります。