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マイクロプロセッサー
公開日：2024年6月10日
寄稿者：Josh Schneider、Ian Smalley
マイクロプロセッサーは、最新のコンピューター・プロセッサーの主要なタイプで、中央処理装置（CPU）のコンポーネントと機能を、1つの集積回路（IC）または接続された数個のICに組み込んだものです。
CPUと同様、マイクロプロセッサーは、一般的にコンピューターの「頭脳」と考えられており、従来のCPUとは異なり、一般的なCPUの演算回路、論理回路、制御回路を、1つの多目的、クロック駆動、レジスタベースのデジタル回路に集積したものです。
CPUとマイクロプロセッサーという用語は、多くの場合、同じ意味で使用されますが、マイクロプロセッサーは基本的に、1つのチップ上にCPUの機能を集約したものです。このシングルチップ設計により、脆弱な電気接続の数が減ることで、障害点が発生する可能性が減り、信頼性が向上します。そのため、マイクロプロセッサーは、複数の独立したコンポーネントが組み込まれた従来のCPUにほぼ完全に取って代わりました。
マイクロプロセッサーが登場する前、コンピューターはラックに収納された数多くのICを使用して、コンピューターの主要な演算機能を実現していました。1971年には、世界初の商用マイクロプロセッサーであるIntel 4004が登場し、コンピューティング・テクノロジーに大きな変革が起こりました。Federico Faggin氏が設計したこの画期的なデバイスは、電卓用に12個のカスタム・マイクロチップを製作して欲しいという、日本の電子機器メーカー、Busicom社からの依頼に単に対応したわけではありませんでした。Intel社が12個のチップを1つずつ製造する代わりに、汎用ロジック・デバイスを開発したことは、演算に対するIBMの考え方を根本から変える画期的な出来事となりました。
Intel 4004のアーキテクチャーは、今日の基準からするとパワー不足で、740 kHzのクロック速度で動作し、最大4ビット（「ニブル」とも呼ばれます）のデータ・ストリームしか処理できませんでした。4004は最新の8ビット～64ビットのマイクロプロセッサーほど強力ではありませんが、回路においては画期的な大発明であると広く考えられています。ムーアの法則で予測されていたように、半導体テクノロジーの急速な発展により、処理能力は大幅に向上しました。Intel社やPentium社といった大手サプライヤーによって製造されているマイクロプロセッサーは、IBM、Microsoft社、Apple社など、すべての大手テクノロジー企業で使用されており、TVリモコンや宇宙国際ステーションなど、何千ものシステムやアプリケーションに搭載されています。
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最新のマイクロプロセッサーは、何百万もの小さなトランジスター、抵抗、ダイオードを、1つの半導体材料の上に集積することで、CPUの主要コンポーネントを構築します。これらのコンポーネントは、さまざまなタイプの独自のコンピューター・アーキテクチャーを構築できるよう配置され、演算を行ったり、命令を実行したりします。平均的なマイクロプロセッサーの機能は、4つの主要なステップに分類できます。
- フェッチ：マイクロプロセッサーは、コンピュータのメモリーから命令を取り出します（すなわち「フェッチします」）。フェッチ・プロセスは、自動入力または手動入力で開始できます。
- デコード：マイクロプロセッサーは、命令を「デコード」します。基本的に、入力または命令を要求として解釈し、特定のプロセスや演算を開始します。
- 実行：簡単に言えば、マイクロプロセッサーは、必要な動作または要求された動作を実行します。
- 保管：実行結果がコンピューターのメモリーに格納されます。
マイクロプロセッサーは、CPUの主要なコンポーネントを1つの回路に集約することで、これらの処理を完了できます。マイクロプロセッサーの主要なコンポーネントは、次のとおりです。
- 算術論理演算装置（ALU）：CPUの主要な論理演算装置で、数学的計算やデータ比較などの論理演算を行います。
- 制御装置（CU）：CU回路が命令を解釈して実行を開始し、プロセッサーの基本動作を指示します。
- レジスター：レジスターは、CPUが計算プロセス中にデータや命令を一時的に保持するために使用する、小容量で高速なメモリー・ストレージです。
- キャッシュ・メモリー：マイクロプロセッサーとCPUは、CPUの近くに配置された高速メモリーであるキャッシュ・メモリーを使用して、アクセスする頻繁の高いデータを保管し、性能を向上させます。
- バスとバス・インターフェース：バス・インターフェースは、アドレス・バスやデータ・バスなど、さまざまな配線グループ（バスと呼ばれます）を横断するデータの出入口を提供します。バスとインターフェースは、さまざまな内部コンポーネントを物理的に接続し、CPUや、入出力（I/O）装置といったその他の周辺装置内の通信を可能、円滑にします。
- トランジスター：ICの主要な構成要素の1つであるトランジスターは、電流と電気信号を制御、増幅、生成する小型半導体です。また、単純なスイッチとして機能したり、組み合わせて論理ゲートを形成したりすることもできます。トランジスターの数は、マイクロプロセッサーのパワーを表す一般的な指標です。
- プロセッサー・コア：マイクロプロセッサー内の個々の処理装置のことをコアと呼びます。最新のプロセッサーは、多くの場合、複数のコア（デュアルコア、クアッドコア）を組み込んでおり、複数のタスクを同時に実行することにより、並列処理が可能になっています。
- クロック：すべてのマイクロプロセッサーが内部クロックを備えているわけではありませんが、すべてクロック駆動です。一部は、精度を向上させることで知られる外部クロック・チップを利用しています。内部、外部にかかわらず、マイクロプロセッサーのクロック・サイクルによって、コマンドを実行する周波数が決まります。最新のクロック速度はメガヘルツ（MHz）とギガヘルツ（GHz）で測定されます。
マイクロプロセッサーのアーキテクチャーとは、プロセッサーのさまざまなCPUコンポーネントのさまざまな設計および構成方法を指します。以下は、マイクロプロセッサーの主要なアーキテクチャー要素です。
- 命令セット・アーキテクチャー（ISA）：マイクロプロセッサーのISAは、プロセッサーが実行できる命令セットを定義したものです。縮小命令セット・コンピューター（RISC）アーキテクチャーや複合命令セット・コンピューター（CISC）アーキテクチャーなどのISAは、データ処理を行うためのさまざまな方法を提供するだけでなく、各種アプリケーションに適したさまざまなレベルの性能、信頼性、速度も提供します。
- データ・パス：マイクロプロセッサーのデータ・パスは、データがマイクロプロセッサーのコンポーネント（バス、ALU、レジスター）を通る順序を規定し、全体的なパフォーマンスに影響を与えます。
- 制御パス：データ・パスと同様、マイクロプロセッサーのアーキテクチャーの制御パス要素は、一連の動作を指示し、CPU内のデータ送信を管理します。
- メモリー階層：メモリー階層はプロセッサーのアーキテクチャーの重要なコンポーネントであり、さまざまなレベルのメモリー（キャッシュ、レジスター、RAM）に対して1つの構造を提供することで、効率的なデータ・アクセスと検索速度を最適化します。
マイクロプロセッサーは、パワー、性能、アーキテクチャー方法論、サイズ、エネルギー消費量のほか、多くの変数に幅があり、あらゆる種類のアプリケーションに対応できるよう設計されています。汎用マイクロプロセッサーは、一般的にパソコンやモバイル機器に使用されていますが、デジタル・シグナル・プロセッサー（DSP）のような特殊な高性能ユニットは、音声、動画、画像処理のような要求の厳しいタスク向けに設計されています。
以下は、マイクロプロセッサーの主なタイプの一部です。
この多用途なマイクロプロセッサーは、ノートPCやサーバーなど、幅広い一般的なアプリケーションやデバイスに搭載されています。
マイクロコントローラーにはマイクロプロセッサーが搭載されていると言う方が正確ですが、このようなタイプのチップには、動作するコンピューターに必要なすべての追加コンポーネント、つまり内蔵メモリーも搭載されています。マイクロコントローラーはマイクロコンピューターのように機能し、組み込みコンピューター・システム内の特定の要素を制御するのに適しています。小型で低消費電力のマイクロコントローラーは、複雑なオペレーティング・システムを実行する必要がなく、一般的には、エンジン制御ユニット（ECU）、先進運転支援システム（ADAS）、インフォテインメント・ユニットを最適化するために自動車産業で使用されているほか、さまざまな家庭用電子機器、さらには産業オートメーションでも使用されています。
DSPは高速数値計算に特化しており、多くの場合、音声処理、通信、画像処理などの要求の厳しいタスクに使用されます。また、気象センサーなど、アナログ信号をデジタル信号に変換する必要があるアプリケーションでも見られる場合があります。DSPは一般的に、監視ドローンといった自律航空機などの軍事用途で使用されています。
ASICマイクロプロセッサーは特定のタスク用に設計されており、さまざまな用途における特定の要求を満たすようにカスタマイズされています。ASICマイクロプロセッサーの例としては、ゲーム機や暗号通貨マイニング用のカスタム・チップなどがあります。DSP、GPU、およびその他のタイプの特殊なマイクロプロセッサーも技術的にはASICです。
GPUマイクロプロセッサーは、強力なパフォーマンスと並列処理を必要とするデジタル・ビデオやグラフィックスのレンダリングという要求の厳しいタスク向けに特別に設計されたものです。ハイエンド・ゲームに極めて重要である強力なGPUマイクロプロセッサーは、一般的に暗号通貨マイニングでも使用されており、消費電力が高いことで知られています。
通信スイッチ、ルーター、ネットワーク・セキュリティー・デバイスで最も頻繁に使用されるネットワーク・データ・パケットを処理するために特別に最適化されたASICマイクロプロセッサーの一種。
浮動小数点ユニット（FPU）などのコプロセッサーは、システムのメインCPUの補助サポートを行い、高度な科学計算や複雑な数式の実行など、要求の厳しい特定のタスクを行っている間のパフォーマンスを向上させるよう設計されています。
IBM AIXは、IBM Powerサーバー上で動作するように設計されたIBM独自のUnixオペレーティング・システムです。Power上で動作するAIXは、ハイブリッドクラウドとオープンソースの機能を活用してイノベーションを推進し、回復力に優れた安全な環境で最新のアプリケーションを構築、導入できるよう支援します。
ITインフラストラクチャー戦略の基盤にエンタープライズ・クラスのサーバーを使用すると、選択したインフラストラクチャーと統合し、オンプレミスまたはクラウド内のハイブリッドクラウド全体で必要な場所にワークロードを移動しデプロイできます。既存のITインフラストラクチャ―と統合し、イノベーションへの道を開く、アプローチしやすくリスクの少ない方法を開発しましょう。
IBM® z16は、オンチップによるAI推論と業界初の耐量子テクノロジーを備えた、IBM® Zメインフレーム製品の最新版です。不正行為の特定を支援するAI推論をリアルタイムで行えるように設計された、業界初のオンチップ・アクセラレーションTelumプロセッサーを搭載しています。AIとサイバー・レジリエンスをハイブリッドクラウドに適用することで、洞察を促進し、将来の脅威からデータを保護します。
中央処理装置（CPU）は、コンピューターの主要な機能コンポーネントです。CPUとは、コンピューターのオペレーティング・システムとアプリケーションを実行し、その他のさまざまなコンピューター動作を管理する電子回路の集合体です。
データ・ストレージとは、進行中または将来のオペレーションのためにデジタル情報を記録および保存する磁気、光学、または機械メディアのことを指します。
マイクロコントローラー・ユニット（MCU）とは、基本的に1つのチップ上に搭載された小型コンピューターのことで、複雑なオペレーティング・システムを必要とせずに、組み込みシステム内で特定のタスクを管理するように設計されています。
フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（FPGA）とは、ハイパフォーマンス・コンピューティング（HPC）やプロトタイピングなど、さまざまな目的に合わせてハードウェア・レベルでプログラムできるように設計された、汎用性の高い集積回路のことです。
フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（FPGA）とマイクロコントローラー・ユニット（MCU）は、よく比較される2種類の集積回路（IC）で、いずれも一般的に組み込みシステムやデジタル設計で使用されます。FPGAとマイクロコントローラーはどちらも、デバイスや大規模システムに統合できる「小型コンピューター」と考えることができます。
グラフィックス・プロセッシング・ユニットは、グラフィカル・プロセッシング・ユニットあるいはGPUとも呼ばれており、ビデオ・カード、システム・ボード、携帯電話、パーソナル・コンピューター（PC）など、さまざまなデバイス上でコンピューター・グラフィックスや画像処理を高速化するために設計された電子回路です。