★図解★CPUとは？—初心者向けに構造・仕組みを解剖してみるよ！

実は単純計算しかできない子？

パソコンの“脳”と呼ばれる『CPU』ですが、一体どんな構造で、どんなことをしているのでしょうか？そんなCPUの仕組みについて、分かりやすく初心者向けに解説してみます。

『CPU』とは？

今回の主役『CPU』とは、Central Processing Unitセントラルプロセシングユニットの略称で、日本語訳すると『中央演算処理装置』となります。おそらくこれは知っている人が多いはず。

そもそもコンピューターには、ハードウェアを構成する重要な『5大装置』と呼ばれるものが存在しており、そのうちの2つ（制御装置・演算装置）が含まれているのがCPUになるのです。だから、とっても大事な部品と呼ばれるわけです。うんうん。

ちょっとギーク的に『CPU』とはを解説すると、ダイ（集積回路が焼き付けてあるシリコンウェーハ）の表面に数千〜1億個ほどの数のトランジスター回路を形成したものをCPUと呼びます。この『ダイ』は超重要部分なので、のちほど紹介します。

CPUの役割

何でもできる子（させられている子）なCPUですが、役割は制御と演算だけだったりします。

CPUの主な役割は上記のような感じ。私たちが思っているよりも、かなり分かりやすいお仕事をしています。

CPUの4つの処理ステップ

CPUが脳みそで、計算や制御をするところというのは分かったので、次はその処理の流れを簡単に見てみます。

ここを掘り下げるとカオスなくらいにややこしくなるので、とりあえずはこの4工程を踏んでいるというニュアンスで思ってもらえたら大丈夫なはず。

もっともっと噛み砕いた感じだと、

1. 命令の読み込み：メモを見て行くべき目的地をチェックする
2. 命令の解読：車移動が必要だったのでタクシーを呼ぶ
3. 命令の実行：運転手に目的地を伝える
4. 結果データの出力：目的地に到着した

のような感じ。

CPUの構造

CPUを構成する要素は大きく見ると3つなので、簡単な図にしてみました。

この3つの部品（コンポーネント）の中でも、『ダイ』がとにかく重要だったりします。というか、先程お話したCPUのお仕事は、このダイで行われていることなのです。まさに“最中のアンコ”のような感じ。アンコだよ！覚えておいて！！

深く話すと、私も「なるほど。わからん」になっちゃうので、本記事では浅く広く話していきます。なので、名前だけ知っておくニュアンスでOK。

【A】パッケージ

パッケージは、言ってしまえば基盤です。最中のガワです。

ダイが重要なのは前述のとおりですが、実はこのダイは超繊細なのです。しかも、そのままでは実装（他の部品と接続）しづらい。だから、パッケージが必要になってくるわけです。

【B】ダイ

ダイは、CPUでもっとも大事な中心部分で、集積回路（IC）があります。

このダイの部分に、コンピューターを制御する部分や演算をする部分が入っているのです。理系なら一度は耳にしたことある『シリコンウェーハ』がこのダイ。ちなみにシリコンウェーハは、高純度なケイ素（Si）でできています。

さらにバスは、こんな感じで細かく構造を分類することができます。

このバスの構造も深掘りすると、それだけで永遠に語れるくらいになっちゃうので、この4つがあるくらいに捉えておいてください。個人的にも気になる部分は、別の記事にでもしようと思います。

【B-1】バスインターフェース

バスインターフェースは、データをやり取りする伝送路のことです。

バスインターフェースには、

• 内部バス（CPU内部の回路を結ぶ）
• 外部バス（CPUとメモリーを結ぶ）

の2つに大別されます。

さらにバスの中でも、

• アドレスバス（利用するデータのアドレスを主記憶装置に伝える）
• データバス（主記憶装置とデータのやり取りを行う）
• コントロールバス（読み出し・書き込みを行うかの指定をする）

の3種類に分けられます。

とりあえずはこういう構造になっていると思ってもらって、やっていることは命令やデータをやり取りする入り口的なことをしています。

【B-2】キャッシュメモリー

キャッシュメモリーは、バスインターフェースから受け取ったデータを一時的に保管する場所です。

このキャッシュメモリーには、

• 1次キャッシュ（L1キャッシュ）
• 2次キャッシュ（L2キャッシュ）
• 3次キャッシュ（L3キャッシュ）

が“あったりなかったり”します。

よく使うデータをこのキャッシュメモリーに一時的に置いておくことで、わざわざ低速なメモリー（RAM）までアクセスしなくても良くなります。なので、結果的にCPUを高速にできるということ。

つまり、キャッシュメモリーがあるCPUは、処理速度が速くなる傾向があるということですな。うんうん。

【B-3】制御装置

制御装置とは、演算装置やレジスタの動作、メモリーの読み書きなどを制御する部分です。

制御装置は、上記のようなもので構成されております。ちなみに、『レジスタ』もメモリーの一種ですが、キャッシュメモリーとは目的も保存する内容も異なります。

フェッチユニット

フェッチユニットは、メモリー（RAM）上の命令を外部バスインターフェースを通じて、制御ユニットに読み込む部分です。この動作を『フェッチ』と呼びます。

デコーダー

デコーダーは、フェッチユニットでフェッチされた命令が何なのかを具体的な情報に解読する部分です。この動作を『デコード』と呼びます。

このデコードされた命令は『制御情報（演算装置をどのように動作させて、演算させるかをコントロールするための情報）』になります。

【B-4】演算装置

演算装置は、実際に算術演算・論理演算を行う部分のことです。

またまた『レジスタ』が出現しましたが、演算装置の中にもレジスタはあります。ここでは触れませんが、レジスタにもたくさんの種類があって、それぞれ個々で役割を持っています。これはまたの機会に…。

ちなみにコンピューターのCPUは、一般的に整数演算するユニットと浮動小数点演算をするユニットを実装しています。これは何桁まで計算する必要があるかということが処理によって異なるからです。まぁ…チンプンカンプンなのでスルーでOKです。とりあえず、計算するとこ！以上！！

【C】ピン

ピンは、このCPUをマザーボードと接続する部分です。

このピンの数はCPUの世代や製造メーカーによって異なります。よく耳にする『LGA1151』の“1151”とは、このピンの数を表しています。もちろん当然ですが、IntelのCPUとAMDのCPUのピンの形状は異なります。

CPU購入時のポイント

簡単ではありますが、これらのCPUの構造を踏まえて（踏まえられたかは不明）、良いスペックの高いCPUを選ぶポイントは…

• コア数・スレッド数が多い
• キャッシュメモリーが多い
• クロック周波数が高い

感じですな。

これはこれで別の記事にすべきなくらい複雑なので、
Core i7かCore i9かRyzen 7
を買っておけば大丈夫！速いよ！！

まとめ「CPUはやってることは単純だが掘り下げると複雑だ！」

CPUの構造について話し出すと、どうしても学術的な話に結びついてしまうので、「そんなことより、速いCPUはどれを買えばおけお？」と言う人には、面白く無い気がします。

適当ですいません…。

おまけ

おわり