CPUとは | パソコンパーツの基礎｜ゲーミングPC徹底解剖

当カテゴリーでは、CPUとは何かについて解説している。CPUは、人間で言えば頭脳でパソコンにおける様々な処理を担う。メモリから命令を受け取りそれを演算するのだ。パソコンの主要パーツの中でもその役割がわかりやすいこともあってある程度理解している方も多いかもしれない。

これからパソコンを購入する予定の方も必見だ。純粋にCPUの性能を知りたいという方は「CPUの性能比較表」を参考にするとよいだろう。現行モデルを中心に多くのIntel製及びAMD製CPUを網羅している。

CPUって何？

CPUの定義

cpu

CPU（Central Processing Unit：中央演算装置）とは、コンピュータにおいて演算・制御を行う装置です。
CPUは記憶装置から命令を読み込み、演算をし、各種の記憶装置や出力装置に演算結果を通知します。
引用元：（富士通, 公開年不明）

CPUとは、パソコンで様々な計算処理を行うパーツのことだ。CPUの定義について富士通の公式サイトの解説を引用しているので参考にして欲しい。Central Processing Unit（セントラルプロセッシングユニット）の略でPCの主要パーツの一つだと言える。直訳で中央演算処理装置とも呼ばれる。中央と呼ばれることからその重要性がわかるだろう。

このコンピューターのCPUは、動いているハードウェアやソフトウェアから受ける全ての指示を処理している。OSが監督で、CPUは作業員とイメージするとわかりやすい。OSが「ああしろこうしろ」とCPUに伝えてCPUはそれを純粋に遂行するのだ。マウス/キーボードなどの周辺機器からの出力やHDD/メモリなどからのデータの入力・演算・出力を行う役割を果たしている。ウェブ上のコンテンツをプリンターで印刷するということもCPUの役割の一つとなる。

パソコンを使っている上でほとんどのケースでCPUが何らかの関わりを持っていると考えてよい。そもそもパソコンのプログラミングは計算で成り立っている。パソコンは0と1の2進数で様々な処理を行う。それらは電気スイッチのON「1」とOFF「0」で区別している。パソコンは常に演算する運命にあるのだ。CPUの性能=パソコンの処理能力そのもので、パソコン作業の快適さに関わる重要な部分だと言える。グラフィック機能が搭載されたモデルもある。

人間で例えると脳になる！？

CPUは人間でいうと脳（作業をする人）によく例えられる。優れた脳を持つ人（Core i9-14900K/ Ryzen 9 7950X etc.）は演算処理を素早く行うことができるというわけだ。動画のエンコードや3D CADなど難しい作業も難なくこなせる。パソコンのパーツの役割はヒトで例えられることが多い。パーツの役割について何も知らない人にとってもイメージしやすいので私もおすすめしている覚え方だ。

ここでいう演算処理というのは何もエンコードやRAW現像のような負荷の高い作業でのみ行われるわけではない。ブラウザの立ち上げやゲームの読み込みなど多岐にわたるということを付け加えておこう。もう少し脳を分類した方がわかりやすいだろう。脳には右脳と左脳がある。右脳はグラフィックスを担当するグラフィックボードで、左脳は演算処理を担当するCPUとして考える方がしっくりとくる。

最近主流になってきたマルチコアのCPUでは効率よく作業を行うことができる。現在では10個以上のコアが搭載されたCPUも存在する。例えば、ブラウジングしながら音楽を聴いたりレポートを作成したり、動画のエンコードをしながらネット閲覧をしたりなど複数の操作を行うことによりかかる負荷を分散させることができる。CPU単独では作業を行えず、機能するためにはメモリ・ストレージなどが必要になる。それは別の機会に見ていくとしよう。このページではCPUにのみ焦点を当てていく。

CPUの製造メーカー

CPUを製造しているメーカーはIntelとAMDの2社だ。Intel Core iシリーズは知名度も高くユーザー数も多い。Intel第14世代のフラグシップモデルであるCore i9-14900Kは24コア32スレッドというスペックを持つ。Intel第12世代CPUから引き続き2つのコアを搭載したハイブリッドアーキテクチャを採用している。

一方で、AMD第5世代RyzenシリーズのフラグシップモデルであるRyzen 9 7950Xは16コア32スレッドと高いスペックを持つ。省電力性にも優れていて一気に市場を拡大している。マルチコア性能的にはIntel第14世代Core iシリーズの方が上だ。ハイブリッドアーキテクチャがより洗練されて高いパフォーマンスを発揮する。Ryzen 9 7950X3Dなど3D V-Cache搭載のRyzen 7000X3DシリーズはCore i9-13900KSからゲーミング最強CPUの座を奪った。その後登場したCore i9-14900KSよりもゲーム性能は上だ。

中上級者向けコンテンツ

CPUの構成要素

CPUの主な構成要素として、ALU（Arithmetic Logic Unit）と呼ばれる数学的・論理的そして決定に関する作業を行う算術論理演算装置がある。そして、プロセッサーの全ての作業を指示するCU（Control Unit）と呼ばれる制御装置があるのだ。制御装置でメモリからの指示を読み込み、解釈をする。それらを一連の信号に変換して、演算装置で処理を行いコンピューターの他のパーツを動かすというわけだ。

L2キャッシュやL3キャッシュを内蔵している。それは高速のメモリーとしての役割があり、指示をコピーしてそれらを読み込むことが可能となる。メモリを挟むよりも効率的だ。また、CPUは、とても熱を持つので、放熱板やファンという形でそれ自身で冷却システムを持つ必要がある。マザーボードの上に位置していて、マザーボードはCPU用のソケットから接続する形だ。

CPUの処理方法

CPUのALUは計算をすることがメインの役割なのだが、一体どのように計算をしているのだろうか。コンピューターの世界では全て0と1で表されるのは知っているだろうか。英語も日本語も一つ一つの文字が0と1の羅列で表すことが可能となっている。プロセッサー内部で、複数のトランジスタを使って0と1を格納している。

これらは極微のスイッチだ。そしてそれは、スイッチがオンかオフかによって電気の流れを制御することができる。トランジスタは、二つの情報を持っている。電流が流れているなら1で、電流が流れていないのであれば0ということになる。トランジスタは、とても薄いシリコンの上にある。一つのシリコンチップに、数千のトランジスタがある。

一つのCPUには大量のチップが含まれている。それでもCPU自体がとても小さくなっているのは技術の進歩だと言える。今日のCPUは、1平方インチの中に数億個のトランジスタを持つことが可能だ。ハイエンドモデルになると、その数は10億以上になる。演算は、トランジスタの違う組み合わせをオンまたはオフにする信号によって行われる。トランジスタの数が多ければ、その分多くの計算をすることができるということになる。

ちなみに、チップに使われている素材であるシリコンは、カリフォルニアのシリコンバレーからその名前が来ている。初期のCPUはとても大きく、今日ほど多くのトランジスタを持つことはできなかった。インテルやAMDのようなCPUの製造会社が、多くの研究を行い、全てを小さく、そして一つのプロセッサーに多くのトランジスタを詰め込めるようになったというわけだ。

つまり、CPUの新しい世代がリリースされたら、それは彼らが一つのCPUに多くの処理能力をつめるための優れた方法が見つかったということを意味している。Intel i7、AMD 870のようなCPUの一般的な名称は、CPUの基本的な設計概念に由来している。

CPUスペックの見方

i9-14900kspecs 画像引用元：https://ark.intel.com/ja/

CPUのスペックの見方を解説する。上記は第14世代CPU「Intel Core i9-14900K」のスペック表だ。まずは、この型番の意味について簡単に触れておく。Intelはメーカー名、Core i9は種類、14900は型番、Kは末尾アルファベットとなる。末尾アルファベットのKはオーバークロックに対応している高性能モデル（倍率ロックフリーモデル）だ。その他にも省電力のTやハイエンドのXなどがある。

コア数/スレッド数

コアはCPU内部の演算を担う部分だ。最近はオクトコア以上のマルチコアを搭載したモデルが増えてきている。Intel製CPUは第12世代からは2つのコアを搭載したハイブリッドコアアーキテクチャが採用されている。これまでのコアに該当するパフォーマンスコア（Pコア）と効率性重視のエフィシエントコア（Eコア）の2種類を搭載していて用途に合わせてコアが選択される形だ。

パフォーマンスコアだけで見ればこれまでのモデルと変わらないが、エフィシエントコアが増えたことでより速く様々な作業を行える。具体的には動画編集・動画エンコードなどの用途でRyzen 9シリーズを上回るパフォーマンスを発揮する。ハイエンドモデルのCore i9-14900Kは24コアという驚異的なスペックを誇る。AMDのフラグシップモデルのRyzen 9 7950Xは16コアだ。

スレッドとは仮想的にコアを増やしたもので、一般的にハイパースレッドに対応しているとより高速に作業を行うことができる。動画編集などではマルチコアを活かしやすくコアが多いほうがパフォーマンスを発揮しやすい。一方でゲームプレイでは8コア以上になるとなかなか活かせずパフォーマンスには直結しないことが多い。だからこそIntelはパフォーマンスコアを8コアにしている。AMDのゲーム特化型のRyzen 9 7950X3Dなどではゲームプレイ時に8コア以上のコアを停止させて8コア稼働にする。

ベース及びブースト周波数

次にプロセッサー・ベース動作周波数及びターボ・ブースト利用時の最大周波数を見ていこう。これは単純にCPU性能を表していると考えてよい。より速く演算処理が行える。1秒間のクロックの数（処理数）となる。5.4GHzだと1秒間に54億回のクロックがあるということだ。

ベースクロックは全コア稼働時のクロック周波数を意味している。そして、ターボ・ブースト時とは、CPUへの負荷が高くなった場合に発揮することができる1つのコアの最大数値となる。基本的には1つや2つのコアのみ到達することが可能だ。コア数と合わせてこのクロック数はCPU性能を計る上でとても重要だ。ゲームプレイなどではこのクロック周波数が重要な役割を果たす。

最近のモデルでは複数コアが稼働しているときでも高いクロック周波数を実現できるようになっている。Intel Core iシリーズならフラグシップモデルのCore i9-13900Kで搭載されている「Intel Thermal Velocity Boost Frequency」などが該当する。RyzenシリーズならPresicion Boost 2（PB2）やExtended Frequency Range（XFR2）などだ。クロック周波数はCPU性能を測る上でとても重要な要素となっている。

L3キャッシュ

次にL3キャッシュとはCPU内部のメモリのことだ。外部のメモリ（システムメモリ）と機能的には似ている。CPU内部でワンクッションを挟むことでより効率的に作業を行えるということだ。データを格納する上でよりCPUに近い場所で保存しておくことができるので、必要なときにすぐにデータを取り出すことができる。

L3キャッシュは世代によって大きく異なっている。最新モデルだと16MBや32MBを搭載していることもあるが、数世代前のモデルだと6MBや8MBが一般的だった。基本的にはキャッシュが多いほど高性能ということになる。ゲームプレイ時には特にこのL3キャッシュ容量が重要となる。128MBのL3キャッシュ（3D V-Cache Technology）を搭載したRyzen 9 7950X3Dがその証明だ。現行トップクラスのゲーミング性能を持つ。

ゲーミングPCとCPUの関係について

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ゲームをする上で、CPU性能はとても重要になってくる。CPU性能がゲームに与えるということは周知の事実かもしれない。グラフィックボードの性能だけを見ておけばいいというほど単純なものではない。ゲームの起動やロード以外にもゲームの骨組み全ての処理が任されていてグラフィックボードが肉付けしていくことになる。

これらの処理を素早く行うために優れたCPUが求められるのだ。CPUが描いた絵に、色をつけるのがグラフィックボードなのだ。どちらも重要なのでCPUとグラフィックボードのバランスを考えて選択することが大切となる。どちらかだけが極端に性能が高くてもボトルネックが発生して最大限のパフォーマンスを引き出すことができないからだ。