CPUはどのように計算しているのか（3）：パソコン技術講座スペシャル

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CPUはどのように計算しているのか（3）

（後編）CPUを高速に動作させるための技術

2007年8月8日　page:1/2

[（中編） CPUの基本的な動作原理とは：前回へ]

パイプラインでより高速に

　ここからは、CPUをより高速に動作させるための技術について解説していく。

　CPUは単に動作周波数を上げるだけでなく、処理速度向上のためにさまざまな工夫が施されている。その一つが下図にある「パイプライン」だ。

　前述したように1クロックで1つの処理を行っていると、1つの命令を実行するのに4クロックかかる。スーパーのレジに例えるなら、（1）買い物かごから商品を取り出し、（2）バーコードを読み込み、（3）お金を受け取ってお釣りを返し、（4）商品を袋に詰める、という作業を1人で行っていることになる。レジには1人しかいないので、1人の客が終わるまで次の客は待つことになってしまう。この「待つ」ということが、上図のCPU処理内容では空白の部分に当たる。

　パイプラインは、この無駄をなくして処理を高速化しようとする技術だ。上図の下では、2クロック目で既に2つ目の命令がフェッチされている。先ほどのレジで例えるなら、（1）（2）（3）（4）の担当者を別々に4人配置して、それぞれの処理を同時並行で行う。これだと、時間の無駄となる空白の部分がほとんどなくなっているのが分かるだろう。

　さらに、CPUの内部処理を4ステップではなく8ステップ、10ステップなどと細分化したのが「スーパーパイプライン」だ。実は動作周波数を上げるといっても、トランジスター回路の応答速度が追い付かないなどの理由で限界がある。そこで、各ステップをより細分化して、一つひとつのステップの処理時間が短くなるようにし、動作周波数を上げやすくする。1命令を実行するためのクロック数は増えるが、それを補う以上に動作周波数を上げればよいという戦略だ。インテルはPentium 4で20ステップまでに細分化し、「ハイパー・パイプライン」と名付けている。

　CPUにはこうしたパイプライン／スーパーパイプライン技術と同時に、「スーパースケーラ」と呼ばれる技術も盛り込まれている。フェッチやデコードを複数同時に行い、演算器の数を増やすことで一度に複数の命令を処理できるようにする。スーパーのレジに例えると、各持ち場の担当者を1人ずつではなく複数配置するようなものだ。

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