CPU コアとは

CPU コアは、あらゆるコンピューターの不可欠な部分です。CPU コアは、CPU プロセッサの一部です。最新のデスクトップ CPU には通常 2 ～ 16 個のコアがあり、それぞれが一度に 1 つの特定のタスクを処理できます。使用可能なコア数は、PC がピークパフォーマンスでどれだけ強力で高速かを示す重要な指標の 1 つです。

コアが互いに完全に独立しているわけではないことに注意してください。特定の CPU 設計に応じて、コアは多かれ少なかれ密接にリンクされます。キャッシュを共有したり、相互にメッセージをやり取りしたり、他の種類の通信プロセスを共有したりすることもできます。多くの場合、コアはバス経由で接続されます。また、同一コアのみのCPUと異なるコアを組み合わせたCPUにも違いがあります。

CPU 設計

歴史的なマルチコア CPU の設計では、一般に同種の CPU トポロジが使用されてきました。つまり、すべてのコアが同一です。これには、必要に応じて何度でもコピーして貼り付けることができる 1 つのコアアーキテクチャの開発作業のみが必要であるという利点があります。また、すべてのコアがすべてのタスクを同じ速度と効率で実行できるため、タスクのスケジューリングが容易になります。

CPU コア設計へのより微妙なアプローチは、異種 CPU トポロジーで見つけることができます。この場合、1 つの CPU ダイに複数のタイプのコアがあり、通常はパフォーマンスまたは電力効率が最適化されていますが、中間の場合もあります。このセットアップは、多数の効率的なコアが最小限のバッテリー消費で優れたパフォーマンスを提供するモバイルデバイスで特に役立ちます。より強力なパフォーマンス最適化コアによって必要に応じてピークパフォーマンスを提供することもできますが、消費電力と発熱量が増加します。

歴史的に、CPU は 1 つのコアのみから始まり、一度に 1 つのタスクしか処理できませんでした。時間が経つにつれて、ハードウェアの需要が増加するにつれて、それだけでは十分ではなくなりました。より新しい、より最新の CPU が開発され、コア数の少ない CPU よりも段階的に廃止されました。例外はラップトップでした。スペースと冷却の制約により、ラップトップの CPU は歴史的に CPU コア数でデスクトップコンピューターに遅れをとっていました。最新のラップトップはコア数をデスクトップと一致させることができますが、温度を管理するために、CPU はより低い電力レベルとクロック速度で実行されることがよくあります。

ヒント:コンピュータを構築して CPU を選択しようとしている場合、目標とするコアの絶対最小数は 4 です。

マルチスレッド

最新のプロセッサーのほとんどは、マルチスレッドまたはハイパースレッディングを使用して、使用可能なコアの数を増やしています。このプロセスは、1 つのコアを複数の仮想コアに分割します。具体的には、各物理コアは 2 つのスレッドとして機能します。したがって、4 コアの CPU は 8 つのスレッドで動作できます。つまり、8 コア CPU のように機能します。

注:一部の特殊な CPU は、CPU コアごとに 3 つ以上のスレッドを提供できます。ただし、そのような製品はすべて、HPC (ハイパフォーマンスコンピューティング) およびスーパーコンピューティング市場専用です。デスクトップ CPU コアは、1 つまたは 2 つのスレッドを実行できます。

ただし、マルチスレッドは CPU パワーの完全な複製ではありません。ハイパースレッディングは、CPU コアのパフォーマンスを 2 倍にしません。Intel の調査では、パフォーマンスが約 30% 向上することが示唆されていますが、これは大きく変動する可能性があり、まれにパフォーマンスがわずかに低下することさえあります。一部のアプリやプログラムは、他のアプリよりもうまく機能します。たとえば、ビデオゲームは、多くの場合、クロック速度の影響を受けやすく、より多くのコアの恩恵を受けるとは限りません。他のソフトウェア、特にビデオ編集とアニメーションは、追加のコアとスレッドでさらに実行されます。

もちろん、追加のコアを発明することは不可能です。そのため、シミュレートされたスレッドは、基礎となるコアの利用可能な物理リソースを共有する必要があります。これは、個々のスレッドのパフォーマンスが低下することを意味しますが、リソースがより効果的に分散されることも意味します。それらは、それらをより必要とするスレッドで使用できます。

ハードウェアの未来

CPU コア開発の傾向は、CPU にますます多くのコアを実装する方向に確実に進んでいます。理論的には、数百または数千のコアを持つ CPU を構築することは可能です。AMD の Threadripper と EPYC CPU は最大 64 個のコアを備えているため、これはまだ商業的な現実にはなっていません。ただし、今のところ、より現実的な焦点は、ワットあたりのパフォーマンスを最適化することです。言い換えれば、CPU の消費電力を下げることです。これは、主にラップトップやその他のバッテリー駆動のデバイスにメリットがあります。

パフォーマンスをさらに大幅に向上させるには、消費電力の管理が重要です。ムーアの法則により、一般に、CPU パフォーマンスは数十年にわたって約 2 年ごとに倍増してきました。ただし、これは主にノードの縮小、つまり CPU の最小要素をどれだけ小さくできるかに基づいていました。

最新の CPU ノードは非常に小さいため、サイズ縮小の物理的限界に非常に近づいています。したがって、パフォーマンスの向上は、より高い消費電力とより高い熱出力を意味します。近い将来、スーパーコンピュータの CPU は、非常に小さなスペースで非常に多くの熱を発生する可能性があり、空気で冷却することは不可能であり、液体冷却が必要になります。

もちろん、新しいタイプの CPU も常に開発されています。ここで最大の 2 つのブランドである Intel と AMD は、それぞれ異なるタイプの CPU 設計を誇っています。これは、それぞれの CPU が他の用途よりもいくつかの用途に適していることを示しています。もちろん、新しく設計された CPU は、既存のものに加えて、新しいユースケースと専門分野を提供します。

CPU アーキテクチャは複雑なトピックです。利用可能なテクノロジーとより高いパフォーマンスへの要求の両方が高まるにつれて、CPU が提供するパワーと利用可能な構成の多様性も高まります。GPU 市場と同様に、CPU 市場は特定のハードウェアアクセラレータにシフトする兆候を示しています。これにより、特定のタスクのパフォーマンスと効率が向上しますが、複雑さが増します。

結論

CPU コアは、実際の処理を実行する CPU ダイの 1 つまたは複数の特定の部分です。これらは通常、レジスターとキャッシュに囲まれて提供されます。最新の CPU の大部分は、1 つの CPU ダイで複数のコアを提供します。CPU コアは、パフォーマンス/効率曲線のさまざまな段階で同一または最適化されている場合があります。

通常、CPU コアは汎用であり、CPU が必要とするあらゆる処理を実行できます。CPU ダイ上の非汎用処理ユニットは、アクセラレータまたは X プロセッシングコアと呼ばれることがあります。X は、AI 処理用のニューラル処理コアやニューラルアクセラレータなど、特定の目的に置き換えられます。