CPUの性能を決める要素とは？購入前に知っておきたい基礎知識を徹底解説

市場で最も高価なCPUに数千ドルを投じれば、確かに他のどの製品よりも高いパフォーマンスを得られます。しかし、その差はわずか5〜10％程度で、数百ドルも安いワンランク下のCPUと大差ないことも少なくありません。だからこそ、CPUの性能に影響を与える要素を理解しておくことが、賢い買い物への第一歩となるのです。

CPUとは何か

CPU（Central Processing Unit：中央演算処理装置）は「プロセッサ」とも呼ばれ、コンピュータシステムの中核を担う最も重要な部品の一つです。コンピュータの「脳」にあたり、あらゆるデータ計算を処理し、可能な限り短時間で結果を出す役割を果たします。

CPUはコンピュータの外から見えるものではありません。組み立て済みのPCでは、ケースを開け、ケーブルを外し、ヒートシンク（とファン）を取り外して初めて、その表面を目にすることができます。CPUの形状は小さな正方形のチップで、裏面には無数のコネクタピンが並んでいます。

以下の画像は、CPUの裏面と表面を示したものです。

CPUの仕組み

シンプルに言えば、CPUの動作は次の3つのステップで説明できます。

1. アプリケーションの実行をクリックすると、元となる命令がまずハードディスク（場合によってはメモリ）から読み出され、処理のためにCPUへ送られます。
2. CPUは命令を受け取ると、論理演算を実行して結果を計算します。
3. 処理が完了すると、CPUは結果を対応するデバイスへ送り、ユーザーに出力します。

一見簡単そうに見えますが、これら3つのステップはすべて数秒以内に完了しなければなりません。どれか一つでも遅延が発生すれば、コンピュータ全体の動作がもたつく原因になります。

クロック速度

すべてのCPUには内部クロックが搭載されており、動作の「リズム」を刻んでいます。「クロック速度（クロックレート）」とは、CPUが1秒間に実行できる演算回数のことです。

CPU名の横によく表示されているMHzやGHzといったHz（ヘルツ）表記の数字がそれにあたります。

問題は、高速化するほどCPUにより多くの電流を流す必要があり、それが熱を生むという点です。4GHzという天井を超えたあたりから、CPUを十分に冷却し続けるのは困難になります。

Hzで表されるCPUの性能は、主にシングルスレッドのアプリケーションに影響します。ChromeやFirefoxなどの人気ブラウザをはじめ、現代のソフトウェアの多くはマルチコア（詳細は次のセクション）やスレッドを活用するよう設計されており、クロック速度だけに依存していません。一般的に、コア数が多くクロック速度がやや低めのCPUの方が、高速だがシングルコアのCPUよりも良いパフォーマンスを発揮します。

コア数

実際の動作速度を上げることがますます難しくなるにつれ、CPUメーカーはコアを増やすことでマルチタスク性能を高める道を選びました。

マルチコアCPUを「2個以上のCPUを同じパッケージに押し込んだもの」と表現するのは不正確です。一般消費者にはそう見えるかもしれませんが、実際の設計は単に2つのCPUを並べるよりもはるかに洗練されています。

同じダイ上に共存することで、マルチコアCPUの各コアは一部のリソースを共有します。これにより製造コストを抑えつつ、パフォーマンスも向上させられるのです。たとえばキャッシュメモリの一部や、マザーボード上の他の要素への接続などを共有します。

マルチコアCPUには「均一型（ホモジニアス）」と「不均一型（ヘテロジニアス）」があります。均一型は2つ以上の同一コアを搭載し、不均一型は異なる種類のコアを組み合わせます。たとえば最新スマートフォンのCPUは、汎用処理に長けた中央コアと、カメラ撮影やAI処理などを支援する複数の小型コアで構成されているのが一般的です。

CPUメーカーがGHzの限界突破よりもコア増加に注力するようになると、現代のソフトウェアやOSもそれに追随しました。現在のソフトウェアの多くはすでにマルチコアを活用していますが、シングルコアの高速性がマルチコアより優れた結果をもたらすツール、アプリ、ゲームも依然として存在します。これは、一部の処理がそもそも並列化できず、小さな塊に分割して複数コアへ振り分けることができないためです。

キャッシュとアーキテクチャ

8ビット時代のコンピュータでは、RAMの速度が十分に速く、CPUが必要とするデータをすべて供給できていました。しかしCPUの高速化が進むにつれ、RAMが追いつかなくなり、そこで登場したのがキャッシュです。

キャッシュとは、RAMからの直近の命令を保存するためにCPUに搭載された、小容量かつ超高速度のメモリです。キャッシュはCPUと同じ速度で動作するため、遅延なく最短時間でCPUに情報を供給できます。

キャッシュには複数の階層があります。レベル1（L1）キャッシュは最も基本的な形式で、すべてのCPUに搭載されています。レベル2（L2）キャッシュはより大容量で、より多くの直近命令を保存します。一般的に、L1キャッシュはL2キャッシュを、L2キャッシュはRAMを、そしてRAMはハードディスクのデータをキャッシュするという階層構造になっています。新しいマルチコア技術では、さらに大容量で各コア間で共有されるL3やL4キャッシュが存在することもあります。

なお、CPUとRAMの接続を大幅に高速化する方法が見つかれば、将来的にキャッシュの重要性は低下する可能性があります。こう述べたのは、AMDがそれをある程度実現したかもしれず、同社の次世代Zenアーキテクチャプロセッサが注目される理由の一つだからです。

以上がCPUの性能に影響を与える主な要素です。Intel製とAMD製CPUの違いや、AMD CPUの選び方についても、あわせてチェックしてみてください。