プロセッサの基本的な仕組み
CPUの内部構成
Section titled “CPUの内部構成”前のページで、CPU（Central Processing Unit）はコンピュータの「頭脳」であり、演算装置と制御装置を合わせたものだと学びました。ここでは、CPUの内部をもう少し詳しく見ていきましょう。
CPUの内部には、大きく分けて次のような要素があります。
| 要素 | 役割 |
|---|---|
| 制御装置 | プログラムの命令を読み取り、各装置に実行の指示を出す |
| ALU（算術論理演算装置） | 足し算・引き算などの算術演算と、大小比較などの論理演算を実行する |
| レジスタ | CPU内部にある超高速・小容量の記憶領域。計算中のデータや命令を一時的に保持する |
ALUはArithmetic and Logic Unitの略で、演算装置の中核にあたります。CPUが計算を行うとき、まず主記憶装置（メモリ）からデータをレジスタに読み込み、ALUで演算を行い、結果を再びレジスタに格納します。レジスタはCPUの内部にあるため、メモリよりもはるかに高速にアクセスできますが、保持できるデータ量はごくわずかです。
クロック周波数 ── CPUの「テンポ」
Section titled “クロック周波数 ── CPUの「テンポ」”CPUは、一定のリズム（クロック信号）に合わせて処理を進めます。この1秒あたりのリズムの回数をクロック周波数と呼び、Hz（ヘルツ）という単位で表します。
たとえば、クロック周波数が「3GHz（ギガヘルツ）」のCPUは、1秒間に約30億回のリズムを刻んで処理を進めることができます。一般的に、クロック周波数が高いほど、1秒間により多くの処理を実行できるため、処理速度が速いといえます。
ただし、クロック周波数だけでCPUの性能が決まるわけではありません。CPUの設計（アーキテクチャ）やコア数など、他の要素も性能に大きく影響します。
試験で出るポイント
マルチコアプロセッサ
Section titled “マルチコアプロセッサ”CPUの処理能力を高める方法の一つに、CPU内部の処理回路（コア）を複数搭載するという考え方があります。このように複数のコアを持つCPUをマルチコアプロセッサと呼びます。
| コア数 | 名称 |
|---|---|
| 2つ | デュアルコア |
| 4つ | クアッドコア |
| 8つ | オクタコア |
マルチコアプロセッサでは、複数のコアが同時に別々の処理を実行できるため、全体の処理能力が向上します。たとえば、デュアルコアのCPUは、1つのコアが動画を再生しながら、もう1つのコアがファイルのダウンロードを処理する、といった並行処理が可能です。
ただし、コア数が2倍になれば性能も単純に2倍になるわけではありません。ソフトウェアが複数のコアをうまく活用できる設計になっている必要があります。
試験で出るポイント
GPU と GPGPU
Section titled “GPU と GPGPU”CPU以外にも、コンピュータには重要なプロセッサがあります。その代表がGPU（Graphics Processing Unit）です。
GPUは、もともと画像や映像の描画処理を専門に行うプロセッサとして開発されました。3Dゲームや動画編集など、大量の画素（ピクセル）を同時に計算する必要がある処理に特化しています。GPUの特徴は、単純な計算を大量に並列実行できる点にあります。
この「大量の並列計算が得意」というGPUの特性を、画像処理以外の汎用的な計算にも活用しようという考え方がGPGPU（General-Purpose computing on GPU）です。GPGPUは、AI（人工知能）の学習処理や科学技術計算など、大量のデータを同時に処理する必要がある分野で広く活用されています。
| プロセッサ | 特徴 | 主な用途 |
|---|---|---|
| CPU | 複雑な処理を順番にこなすのが得意 | プログラムの実行全般、OS の動作 |
| GPU | 単純な計算を大量に同時実行するのが得意 | 画像・映像の描画処理 |
| GPGPU | GPUの並列計算能力を汎用計算に応用 | AI学習、科学技術計算、暗号通貨のマイニング |
試験で出るポイント