CPUとは何か？中央処理装置の基本知識と仕組みをわかりやすく解説

CPU（Central Processing Unit：中央処理装置）は、コンピューターの他のハードウェアやソフトウェアから送られる命令のほとんどを解釈し、実行する役割を担う中核部品です。人間でいう「脳」に相当する部分であり、コンピューターのあらゆる動作を司っています。

CPUが使われているデバイスの種類

CPUは実にさまざまなデバイスに搭載されています。デスクトップPCやノートパソコン、タブレット、スマートフォンはもちろん、薄型テレビやゲーム機、家電製品に至るまで、私たちの生活の身近なところで活躍しています。

デスクトップPC、ノートPC、サーバー向けのCPUではIntel（インテル）とAMDの2社が大きなシェアを占めています。一方、スマートフォンやタブレット向けでは、Apple、NVIDIA、Qualcommが主要メーカーとして知られています。

CPUは「プロセッサー」「マイクロプロセッサー」「中央演算処理装置」「コンピューターの頭脳」など、さまざまな名称で呼ばれます。いずれも同じものを指しています。

CPUの外観と取り付け位置

現代のCPUは一般的に小さな正方形をしており、下面には短く丸みを帯びた金属製の端子（コンタクト）が多数並んでいます。古い世代のCPUには、金属端子の代わりに細いピンが付いているものもあります。

CPUは、マザーボード上にある「CPUソケット」（まれに「スロット」）に直接取り付けます。端子側を下に向けてソケットに挿入し、小さなレバーで固定する仕組みです。

CPUは短時間でも動作すると非常に高温になります。そのため、熱を放散させるためにCPUの上にヒートシンクと冷却ファンを取り付けるのがほぼ必須です。通常、これらはCPU購入時に同梱されています。さらに高度な冷却手段として、水冷キットや相変化冷却ユニットなども市販されています。

CPUのクロック速度とは

クロック速度とは、プロセッサーが1秒間に処理できる命令数のことです。単位はギガヘルツ（GHz）で表されます。

例えば、1秒間に1つの命令を処理できるCPUのクロック速度は1Hzです。これを実用的な例に当てはめると、クロック速度3.0GHzのCPUは、毎秒30億個の命令を処理できる計算になります。

CPUのコア数とマルチスレッド

CPUには、シングルコアのものもあれば、デュアルコアやクアッドコアなど複数のコアを持つものもあります。2つのプロセッサーユニットが並行して動作すれば、CPUは毎秒2倍の命令を同時に処理でき、パフォーマンスが大幅に向上します。

ハイパースレッディング（Hyper-Threading）

一部のCPUは、物理コア1つに対して2つのコアを仮想的に扱う技術「ハイパースレッディング」に対応しています。仮想化とは、物理的に4コアしかないCPUが、あたかも8コアあるかのように動作することを意味し、追加された仮想コアは「スレッド」と呼ばれます。ただし、パフォーマンス面では物理コアの方が仮想コアより優れています。

マルチスレッディング

CPUが対応していれば、アプリケーション側も「マルチスレッディング」を活用できます。スレッドをコンピュータープロセスの断片と考えると、1つのコアで複数のスレッドを同時に処理できるということになり、より多くの命令を一度に捌けます。複数コアでこの機能を活かせるソフトウェアであれば、さらに多くの命令を同時処理することが可能です。

具体例：Intel Core i3・i5・i7の違い

CPUによって性能が異なる具体例として、IntelのCoreシリーズを見てみましょう。名前から想像できる通り、i7 ＞ i5 ＞ i3 の順に高性能です。その理由は以下の要素の組み合わせによるものです。

• コア数：Core i3はデュアルコア、i5とi7はクアッドコアです。
• ターボブースト：i5とi7には、必要に応じてベースクロック（例：3.0GHz）を超えてクロック速度を引き上げる「ターボブースト」機能があります。i3には搭載されていません。また、型番末尾が「K」のモデルはオーバークロックに対応しており、高クロックを常時強制的に利用できます。
• ハイパースレッディング：この技術により、各コアで2スレッドを処理できます。ハイパースレッディング対応のi3は4スレッド同時処理が可能（デュアルコアのため）。i5は非対応ながらクアッドコアなので、こちらも4スレッドです。i7は対応しており、クアッドコアと合わせて8スレッドの同時処理が実現します。

なお、スマートフォンやタブレットなどバッテリー駆動のデバイスでは、電力供給が限られるため、i3・i5・i7の区別にかかわらず、パフォーマンスと消費電力のバランスを重視した設計になっている点がデスクトップ向けCPUと異なります。

CPUを選ぶときに知っておきたいこと

クロック速度やコア数だけで、あるCPUが別のCPUより「優れている」とは言い切れません。重要なのは、そのコンピューターで動かすソフトウェアの種類、つまりCPUをどんな用途で使うかです。

例えば、クロック速度は低いがクアッドコアのCPUと、クロック速度は高いがデュアルコアのCPUを比べた場合、どちらが優れているかは用途次第です。動画編集のように複数コアを活かせる処理が多いアプリケーションなら、低クロックのマルチコアCPUの方が、高クロックのシングルコアCPUよりも快適に動作します。逆に、1〜2コア程度しか活用できないソフトウェアやゲームでは、それ以上のコアがあってもあまり意味がありません。

キャッシュメモリの役割

CPUには「キャッシュ」と呼ばれる構成要素もあります。キャッシュは、よく使うデータを一時的に保管しておく場所です。CPUは使用頻度の高いデータを判断し、今後も使われるだろうと予測してキャッシュに保存します。キャッシュはプロセッサーの物理的な一部であるため、RAM（メインメモリ）へのアクセスよりも高速です。キャッシュ容量が大きいほど、高速に扱えるデータ量が増えます。

32ビットと64ビットの違い

コンピューターが32ビット版か64ビット版のOSを動かせるかは、CPUが扱えるデータ単位のサイズによって決まります。64ビットプロセッサーは32ビット品よりも、一度にアクセスできるメモリ量が多く、より大きなデータ塊を処理できます。そのため、64ビット専用のOSやアプリケーションは、32bitプロセッサー上では動作しません。

その他の知識

• 無料のシステム情報ツールを使えば、CPUの詳細情報を他のハードウェア情報と合わせて簡単に確認できます。
• 市販PC向けの標準的なプロセッサーに加え、量子力学の原理を応用した量子コンピューター用の「量子プロセッサー」の研究開発も進められています。
• マザーボードごとに対応するCPUの種類（ソケット規格）が決まっているため、CPUを購入する前に必ずマザーボードの対応状況を確認しましょう。