CPUとは何ですか？

CPUとは何ですか。 CPUまたは中央処理装置は、コンピュータの非常に重要な頭脳です。ビデオゲームの再生からエッセイの作成に至るまで、コンピュータが行うすべてのことは、一連の数学的な指示に分解されます。 CPUはそれらの命令を受け取り、実行します。

これを行う方法の詳細は、もちろん、その単純な説明よりもはるかに複雑です。知っておくべき最も重要なことは、CPUがコンピューターの主要な数学エンジンであることです。

CPUの（非常に）短い歴史

コンピューティングの歴史は長く複雑です。また、デジタル技術、電子機器、さらには電気よりも歴史にさかのぼります。そろばんは一種のプロセッサーです。機械式計算機も同様です。大きな違いは、これらのマシンは1つまたはいくつかの数学的タスクしか実行できないことです。これらは、汎用プロセッサではありません。最近のCPUはその一例です。

CPUを汎用計算デバイスにするのは、ロジックの使用です。 1903年、ニコラテスラはゲートとスイッチとして知られる特許を取得した電気回路を特許取得しました。これらの回路を使用して、論理演算を実行するデバイスを構築し、特定の条件でマシンを動作させることができます。

1940年代半ばから後半にかけて、ウィリアムショックレー、ジョンバーディーン、ウォルターブラテンは、ベル研究所で働いていたときに、トランジスタと呼ばれるデバイスを発明し、特許を取得しました。トランジスタは、CPUの基本的な構成要素です。トランジスタは比較的小さなコンピュータコンポーネントです。このトランジスタは非常に重要な発明であり、3人の発明者がノーベル賞を受賞しました。

1950年代後半、Robert NoyceとJack Kilbyはさらに1歩進んで、最初に機能する集積回路を作成しました。集積回路は、単一の半導体材料に統合された電子回路のセットです。ほとんどの場合、その材料はシリコンです。これは、人々が「マイクロチップ」と言うときの意味です。

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CPUは、1つ以上のマイクロチップで構成されています。何十億ものトランジスタを単一のCPUに詰め込むことができるため、これは重要な発明です。これにより、信じられないほど強力な数学エンジンが作成されます。

論理ゲート、トランジスタ、および集積回路の発明を使用して、世界全体が変化しました。マイクロチップは、コンピュータだけでなく、最近のあらゆるものに存在しています。そして、CPUは私たちが製造できる最も高度な汎用マイクロチップです。

CPUの仕組み

CPUの原理全体は、バイナリコードに基づいています。人間は、base 10と呼ばれるシステムまたは10進法を使用して数値を表す傾向があります。数値の各桁の値は、10倍になります。したがって、「111」には100、10、1が含まれます。

コンピューターとそのCPUは、base 10をまったく理解できません。トランジスタは、オンまたはオフのどちらかの原理で動作します。つまり、それらから構築する論理ゲートも、これらの2つの状態でのみ機能します。これが、基本的に、CPUがバイナリコードで実行される理由です。この番号システムには、異なる場所の値があります。代わりに、1、10、100、1000などの場合、場所の値は1、2、4、8、16、32、64、128などになります。

つまり、2進数では、「111」は10進数で7になります。1、2、および4を加算するからです。数値のいずれかがゼロの場合、それをスキップして次の1の桁の値を追加するだけです。このようにして、任意の10進数値を表すことができます。 2進数は右から左に読み取られることが多いため、「1」の場所の値は右端になることに注意してください。

表に入れて、わかりやすくします。

10進数で7になる理由がわかりますか？数値23を実行してみましょう。

つまり、111は「7」ですが、「11101」は23バイナリの5番目の値が16であるためです。このようにして、10進数で記述できる任意の数を表すことができます。つまり、トランジスタで構築されたコンピュータは、どのような数値でも動作します。

CPUはどのように作られるのですか？

最近のCPUの製造プロセスも、ご想像のとおり、かなり複雑です。。基本的なプロセスは、シリコン結晶の大きなシリンダーを成長させることを含みます。その半導体特性により、バイナリ集積回路の構築に最適です。

これらの大きな結晶は薄いウェーハにスライスされます。次に、ウェーハに別の化学物質を「ドープ」して、その特性を微調整します。次に、フォトリソグラフィーと呼ばれるプロセスを使用して、光を使用してナノスケール回路をウェーハ表面にエッチングします。

CPUの設計とパフォーマンス

CPUのすべてが等しくした。最近のCPUの最初の適切な祖先であるIntel 8086は、その集積回路に約29 000個のトランジスタを備えていました。現在、Intel i99900Kなどのプロセッサには17億10億を超えるトランジスタが搭載されています。 CPUのロジック回路が高密度であるほど、CPUが1クロックサイクルで実行できる命令の数はより複雑で多くなります。

ちょっと待って、「クロックサイクル」？はい、それはCPUパフォーマンスの他の主要なコンポーネントです。 CPUは特定の周波数で実行され、CPUクロックの各パルスで計算のサイクルが実行されます。同じCPUを使用してクロック速度を2倍にすると、（理論的には）2倍の速度で動作するはずです。

1978年のIntel 8086は、発売時に5MHzで動作していました。 1秒あたり500万クロックサイクルです。 Intel i9-9900K？ 3.6 Ghzから起動します。つまり、3600 Mhzで、可能な場合は最大で5000 Mhzまで上げることができます。

CPUパフォーマンスにもう1つのしわを追加するには、最近のCPUには、実際には複数の「コア」が含まれています。各コアは実際には独立したCPU自体です。最近では、そのようなコアが少なくとも4つあるのが一般的ですが、最近では、主流のコンピューターが6つまたは8つのコアを持つようになっています。ハイエンドのプロ用コンピューターは、100 CPUコアの領域にある場合があります。

複数のコアがあることは、CPUが複数の命令セットを並行して実行できることを意味します。つまり、コンピュータは問題なく一度に多くのことを実行できます。一部のCPUには「マルチスレッド」コアがあります。これらのコアは、それ自体が2つの別々のタスクを処理できます。 Intel CPUでは、これは「ハイパースレッディング」というブランド名が付けられています。

CPUの合計パフォーマンスは、以下の組み合わせになります：

総トランジスタ数とその論理回路の設計の進歩

クロック周波数

コアの数

スレッドの数

もちろん、これらの4つの主要なポイントよりも多くのことがあります。ただし、これらはCPUを適切に動作させるための4つの主要な考慮事項です。