CPUとは?【なるべくわかりやすく解説】

PC用CPUの基本的な事について簡単に解説しています。

CPUとは?


CPU(Central Processing Unit)は、PCの中心的な処理装置です。日本語では「中央処理装置」「中央演算処理装置」などと言い、人間でいう「頭脳」とよく例えられます。性能面でPCにとって最も重要といって良いパーツで、CPUの性能が高いほどPCの全体的な処理が速くなり、低いほど処理が遅くなります。

注意

ただし、画像処理に関しては主に別のユニット(GPU)が担当しており、CPUの性能の良さだけではカバー出来ないため注意です。

性能・仕様について

次に、CPUの各種スペック・仕様をそれぞれ見ていきましょう。まずは、それぞれの単語と簡単な説明を下記にまとめているのでこちらをご覧ください。
CPUの各種用語
用語 概要
コア CPUの中の処理を行う部品。
スレッド コアが行う仕事の単位。
動作周波数(クロック) 処理の速度を示す。単位はHz(ヘルツ)。
TDP 消費電力の目安。単位はW(ワット)。
ベンチマークスコア CPUの処理性能の指標となるスコア。
専用のソフトを用いて測定する。様々な種類がある。
(有名なのはPassMarkやCinebench など)
プロセスルール CPUの配線の太さ。単位はnm(ナノメートル)。細いほど良い。

CPUに関する用語でよく使うのは上記に挙げたようなものになります。下記からそれぞれについてもうちょっと詳しく説明をしています。


コア


コアはCPUの処理を実際に行う部品の名称です。CPUにとって核ともいえる部分です。2019年現在では、処理性能を上げるために、一つのCPUの中に複数のコアが存在する「マルチコア」が主流となっています。

【参考:コア数と呼び方】
コア数
1コア
2コア
4コア
6コア
8コア
呼び方
シングルコア
デュアルコア クアッドコア ヘキサコア オクタコア

コアはCPUの性能に直結する部品なので重要です。このコアに関する部分で一番手っ取り早くCPUの性能を上げる方法が「コア数を増やす」事です。実際に処理を行うパーツ(コア)が増えるほど処理速度は当然上がります。そのため、基本的にはコア数が多いほどCPU全体の処理能力は高くなります。

ただし、コア自体にも性能差があるため、必ずしもコア数が多い方が高性能とは限らない点は留意しておきましょう。特に超省電力モデルのCPUなどは、コア数が同じでも性能重視のモデルと比べると性能が低いことが多いです。

下記にざっくりとコアを増やす事によるメリット・デメリットをまとめておきます。

多コア化によるメリット

  • 性能の向上
    コアの数を増やすとCPU全体の性能は高くなります。コアを増やす大きなメリットです。
  • マルチスレッド処理で有利
    コア数が増えると、単純に処理性能が上がるだけでなく人手(コア)が増える訳です。そのため、同時に複数の作業を行ったり、膨大なデータ量の処理が得意になります。関連して、低負荷ながら多数の処理を多用する事が多いスマホやタブレット等では、コア自体の性能(CPU全体の性能)よりコア数が多いことが重視される傾向もあります。

多コア化によるデメリット

  • 1コアあたりの性能は低くなる
    複数のコアのCPUは並列化処理という方法を用いて複数コアを実現しています。この並列化処理は、利用するコアの数が多いほど1コアあたりの性能が若干落ちてしまうという問題があります。そこまで大きな差ではないですが、コア数が多い方がCPU自体の価格も基本的に高くなることもあるので、多コアによる恩恵をあまり得られないほどの軽作業しか行わないのなら多コアCPUをあえて選ぶのはデメリットになり得ます。
  • 発熱が多くなる
    コアはその小さい中で膨大な処理を行うため高負荷時には大きく発熱します。PCにとって熱は天敵なので、発熱量が増える事は好ましくありません。熱対策のためにより良いCPUクーラーが求められたり、PCケースのエアフローなども気を付けなければいけない可能性が出てきます。
  • 消費電力が多くなる
    発熱と同じく、コアが増えると消費電力が多くなります。電気料金が高くなることも問題ですが、モバイル端末ならバッテリー持ちに影響し、デスクトップでも電源ユニットの容量に気を遣わなければいけなくなります。

スレッド

スレッドは簡単にいうとCPUのコアが行う仕事の単位です。スレッド数が多いほど作業の手数が多いという感じです。スレッド数が多いほど効率的に処理を行えたり、複数の処理を同時並行する場合に作業を分担させやすいので、特にエンコードやレンダリングなどの膨大な量の処理や、マルチタスクの処理などで有利に働きます。もちろん、単純に高負荷な処理でも有利です。

原則は1コアにつき1スレッドで「1コア=1スレッド」という形になります。ただし、現在では「ハイパースレッディング(SMT)」という技術を用いて「疑似的に1コアを2コアに見せる事で、1コアで2スレッドを処理する」仕様のCPUが多く存在します(例:8コア16スレッド)。仕組み的には「システム上で認識するコア数」と表現した方がわかりやすいかもしれません。

ハイパースレッディング(SMT)

ハイパースレッディング(SMT)は、1コアで2スレッド処理を実現する技術です。コアの物理的な仕様を変えずに性能を上げることが出来る非常に有益な技術です。デメリットとして、未使用時より高負荷時の消費電力や発熱が増加したり、1スレッドあたりの処理能力は落ちるといったデメリットはあるものの、基本的に低負荷時には問題にならないものですし、コアの物理的な仕様を変えずに性能を上げれるというのは非常に魅力的です。無いよりは絶対あった方が良い有益な技術です。

また、性能に関して1スレッドあたりの性能を「シングルスレッド性能」と呼び、CPU全体(マルチスレッド)での性能を「マルチスレッド性能」と呼びます。それぞれについてざっくりと下記にまとめています。

シングルスレッド性能が高い事のメリット

  • レスポンスが速い
    シングルスレッド性能が高いと、低負荷な細かい処理のレスポンスが良くなり、体感でもわかる差が出ます。イメージ的には、荷物を運ぶ人の足の速さのような感じ。低負荷な処理は利用者の用途に関わらず発生するため、シングルスレッド性能は誰が使うにしても重要です。

マルチスレッド性能が高い事のメリット

  • 膨大なデータ処理に掛かる時間が短くなる
    マルチスレッド性能が高いと、大量のデータ処理を行う際の時間が短くなります。具体的には、主に動画のエンコード処理などで重要視される性能です。高いに越した事はないですが、役立つ用途は専門的な事が多いです。

ベンチマークスコア

ベンチマークスコアは、専用のソフトを用いて処理性能を数値化したものです。一律の基準がある訳ではなく、ソフトの種類や測定環境によって数値が変わってきます。CPUでは「PassMark」「Cinebench」などがよく用いられます。
また、ベンチマークスコアを基に、性能が大まかにランク分けをされている事があります。一般的なものを下記にざっとまとめたので、参考までに良ければ見てください。
参考:ベンチマークスコア
ランク 概要
ハイエンド 超高性能帯。トップ層のCPU群。
ハイクラス 高性能帯。ハイエンドには及ばないものの十分な性能。
ミドルクラス 中の上くらいの性能帯。一つ上に「アッパーミドル」という区分けが作られている事もある。
エントリークラス 真ん中~中の下くらいの性能帯。平均的な性能よりは低性能寄りという意味合い強め。
ロークラス 低性能帯。省電力モデルや古いCPUが多い。
ローエンド 超低性能帯。古いCPUが多い。
いくつかの項目がある

一口にCPUの性能といっても、実は大きく分けて「マルチスレッド性能」「シングルスレッド性能」「ゲーミング性能(高性能GPUと同時使用時のグラフィック性能)」と3種類の性能あります。特にこれらに触れることなくベンチマークスコアのみが記載されている場合は「マルチスレッド性能」の場合が一般的です。CPU自体にそこまで興味のない方は深く気にする必要はないですが、一応触れておきます。


また、下記に簡単に各性能についてざっくりとした説明を載せておきます。

  • マルチスレッド性能
    CPU全体(全コア稼働時)の処理性能。動画のCPUエンコード時間短縮などの膨大なデータ量の処理や複数のアプリケーションの同時稼働時などに役立つ。
  • シングルスレッド性能
    1スレッド(1コア)あたりの処理性能。高いとレスポンスが良くなる他、基本的にどんな処理に関しても有利に働く重要な性能。マルチスレッド性能が多少高くても、シングルスレッド性能が低いと評価が低かったりする。
  • ゲーミング性能
    高性能なグラボ(単体のGPU)搭載時のゲームパフォーマンス。平均FPS数などで表される。どれだけグラボの性能を最大限引き出せるかという感じのもの。内蔵GPUの性能ではないので注意。

動作周波数(動作クロック)

動作周波数(動作クロック)は、CPUのデータの処理の速度を示すものです。GHzという単位で表されます。当然この数値が高いほどより高い性能を発揮する事が可能になる訳ですが、動作周波数を上げるにもメリット・デメリットがあります。また、コア・スレッドと同じように、動作周波数が高いから性能が高いとは限らない点も留意しておきましょう。下記に動作周波数を上げるメリット・デメリットをまとめています。

周波数を上げるメリット

  • 性能が上がる
    周波数が上がるという事はデータ処理の速度が上がるという事なので、当然処理能力が上がります。大きなメリットです。

周波数を上げるデメリット

  • 発熱・消費電力が多くなる
    データ処理の速度が上がると、当然負荷が増えて発熱や消費電力が多くなります。特に発熱に関しては、CPU自体の耐熱性にも限界がありますし、おいそれと上げる訳にはいかない状況です。
2019年現在では、デスクトップ・ノートPCでは5GHz、スマホでは2.5GHzあたりが限界という状況。
参考:オーバークロック(OC)

一部のCPUには、「オーバークロック(略称:OC)」という、本来の仕様よりも動作周波数を引き上げる機能が使えるものがあります。これを利用すると、CPUの性能を従来より引き上げる事が可能です。しかし、想定されていない発熱の増加が発生する可能性があるため、故障のリスクが高まります。上級者向けの機能で、基本的に推奨されません。


TDP

TDP(Thermal Design Power)は、熱設計電力を表します。単位はW(ワット)。大体の消費電力や発熱量の目安として扱われます。

ですが、実は、TDPは消費電力を表す指標ではなく、「このCPUはこのくらいの電力を使ったときの発熱が発生するので、そのつもりでクーラーを用意してくださいね」という具合の指標です。割とあいまいな指標だったりします。ただし、「発熱が多い=消費電力が多い」という相関性はある程度あるため、消費電力を表す数値としても一般的に扱われています。

また、勘違いされやすいですが、TDPの数値は具体的な消費電力量を表したものではないことには注意が必要です。たとえば、TDPが65WのCPUだからといって消費電力が65Wではないという事です。環境によって多少の変化はありますが、実際の最大消費電力は、大体TDPの1.5倍~2倍程度になるのが一般的です。

ややこしいですが、単純に大体の消費電力や発熱量の目安として見ればOKです。


プロセスルール

プロセスルールとは、CPUの半導体の回路の配線の幅を指します。単位はnm(ナノメートル)。ルールというと何かの決まりや規定を想像してしまいますが、単純に配線の幅と捉えた方が分かり易いです。外国では一般的に「プロセスサイズ」と呼んでおり、そちらの方が直感的で分かり易いと思います。

端的にいうと、プロセスルールは小さいほど良いです。デメリットは基本的にありません。配線の幅が細くなると、より細かな回路設計が可能な他、トランジスタ等の部品を配置するスペースもより大きく取る事ができます。更には消費電力も少なくなるなど、良い事尽くめです。ただし、単位がnmと非常に小さいですから、それを更に微細化するのは並大抵のことではありません。その代わり、実現さえ出来れば大きな強みとなります。

2019年9月現在では、Intel製のCore iシリーズは14nmが主流で、AMD製のRyzen シリーズは7nmが主流です。プロセスルールという点ではAMDが優位に立っており、実際にAMDが7nmの実現に成功した第3世代Ryzenを機に、AMDがIntelを性能面で追い抜いたという状況になっています。

内蔵GPU

CPUには、GPUが内蔵しているものがあります。GPUとは画像処理に特化したプロセッサで、ディスプレイ・モニターに映像を表示するために必須です。

別途、単体のGPU(グラフィックボード・ビデオカード)を搭載することでも対応が可能ですが、GPUはPCを利用する上で実質必須のものなので、利便性などを考慮して、CPUに内蔵されている場合も多いです。そのようなCPUに内蔵されているGPUのことを一般的に内蔵GPUと呼びます。

内蔵GPUの性能

内蔵GPUの性能は単体のGPU(グラフィックボード・ビデオカード)と比べるとかなり低いです。主にメモリー、スペース、発熱などで制約がああり、性能を向上させるのが難しいためです。

しかし、最近では内蔵GPUの性能はかなり向上しており、GPUにもよりますが、高画質な動画を見る程度であれば基本的に問題ありません。とはいえ、未だに最新の3Dゲームなどを快適にプレイする事はやや厳しい状況です。内蔵GPUで快適にプレイできるゲームは軽いものに限られる点は注意が必要です。

参考

内蔵GPUについては、下記の記事でもう少しだけ詳しく解説しているので、気になる方はご覧ください。

内蔵GPUの性能をざっくり解説【性能比較】

他パーツとの関連性

CPUはPCの中心の存在なので、全てのパーツと関係があると言えますが、ここでは特に関係の深いパーツとその関連性をざっくり説明しています。

メモリー

PCのメインメモリーは、CPUの作業スペースのような役割を持っています。メモリー容量が少ないと、CPUが満足に作業する事が出来ないため、処理能力を十分に発揮できません。そのため、CPUを能力をしっかり引き出すためにはメモリーは非常に重要です。また、容量だけでなく転送速度も重要です。特にAMD製のCPUは、メモリーの転送速度の影響を受けやすい特徴があるため覚えておくと良いでしょう。

グラフィックボード/GPU


GPUは画像処理に特化したプロセッサです。GPUはCPUとは別物で、CPUの画像処理専門バージョンというと分かり易いかもしれません。このGPUは、CPUみたいな中心的な役割は果たさないものの、ディスプレイに映像を表示させるために必須な非常に重要なパーツです。一般的なPCでは、CPUの内蔵GPUか、別途グラフィックボードやビデオカードなどと呼ばれるGPUを搭載したパーツどちらかで利用しています。ちなみに、高画質な3Dゲームなどをしたい場合には、グラフィックボードを利用する事がほぼ必須となっています。

CPUとは別のユニットのGPUですが、GPUが行った処理結果をゲームなどのアプリケーションに反映させる最終的な処理はCPUが行っています。そのため、仮に物凄く高性能なGPUを利用していたとしても、そのGPUが処理する膨大なデータを、実際に反映・処理させる能力をCPUが持っていなければ、活かす事ができません。上記のような「CPUの性能の低さが原因で、GPUの性能を活かしきれない」ことを「ボトルネック」と呼びます。高性能なGPUを活かすためには、高性能なCPUが必須となる訳です。

下記に、上記で触れた事も含めて留意事項をまとめています。

留意事項:GPU
  • ボトルネック
    CPUの性能の低さが原因で、GPUの性能を活かしきれないこと。
  • 内蔵グラフィック(CPUの内蔵GPU)
    CPUにはGPUを内蔵しており、別途グラフィックボード等を用意しなくても良いものがあります。Intel製の主流CPUは、ほとんどがGPUを内蔵しています。ただし、内蔵GPUは、グラフィックボード等に搭載される単体GPUより性能は大きく劣るため、高画質の3Dゲーム等を動作させるのは難しいです。(2019年9月時点)

GPUについては、下記でもう少しだけ詳しく説明しています。良ければご覧ください。

GPU(グラボ)とは?【ざっくり解説】

CPUクーラー

CPUはその小さなユニットの中で膨大な量の処理を行い、発熱します。それによってCPU自体が非常に熱くなってしまうため、常に冷却しながらの使用が必須です。その冷却の役目をするのが「CPUクーラー」です。

ただし、PC利用者が必ず別途CPUクーラーを用意しなければならない、という訳ではなく、既製品のPCのCPUには最初からCPUクーラーが設置されています。CPUをパーツとして購入する場合も、多くの製品にはCPUクーラーが付属しています。利用者が別途CPUクーラーを用意しなければならないのは、TDPが90Wを超えるような発熱の多いハイエンド(超高性能)CPU限定です。

下記から、CPUクーラーの冷却方式についてざっくりと説明しています。


冷却方式

CPUの冷却方式は、大きく分けて「空冷式」と「水冷式」の2種類があります。シェアは安価な「空冷式」の方が圧倒的多いです(2019年現在)。また、水冷式は更に「簡易水冷」と「本格水冷」に分けられますが、「本格水冷」はかなり上級者向けのものとなっているため、本記事では軽く触れる程度にしています。
下記から、各方式について見ていきます。

空冷式CPUクーラー

扇風機のような冷却ファンが起こす風を直接利用して冷却する方法です。「ヒートシンク」と呼ばれる、熱伝導率の高い金属を冷やし、ヒートシンクと密着させたCPUを冷却します。水冷式と比べて安価な点や、こまめなメンテナンスはしなくても良い点などが理由で、採用率が非常に高いです。ただし、冷却能力が外気温に左右され易い点などが弱点です。

良い点

  • 安価
  • こまめなメンテナンスが要らない

悪い点

  • 冷却能力が外気温に左右される

簡易水冷式CPUクーラー

「冷却液」を冷却に利用します。冷却液でCPUの熱を吸収し熱くなった液体をラジエーターで冷却する、という形で冷却液を循環させる仕組みです。
空冷式を上回る非常に高い冷却能力を持っているのが魅力です。また、静音性にも優れていると言われています(製品によってはポンプの音などがうるさい場合もあるらしいので一概には言えないらしいので参考までに)。
しかし、「空冷よりやや高価」「ラジエーターという装置を別箇所に設置しないといけない」「継続使用で冷却能力が落ちる可能性がある」「トラブル発生率が空冷より高い」というデメリットもあります。最近では故障率はかなり低くなり、メンテナンスも基本的に要らなくなったとはいうものの、空冷にはないデメリットを抱えているというのは留意して方が良いです。

良い点

  • 空冷を上回る非常に高い冷却能力

悪い点

  • 空冷よりやや高価
  • ラジエーターを別箇所に設置しないといけない
  • 継続使用で冷却能力が落ちることがある
  • トラブル発生率が空冷より高い
本格水冷

本格水冷も、冷却液を使って冷却するという図式は簡易水冷と同じです。ただし、本格水冷は自由度が高く、CPUだけでなく他パーツも一緒に冷やしたりなどができます。その代わり、導入は非常に難しく上級者向けです。しっかりと管理できるのであれば、簡易水冷は本格水冷の劣化という考えの人も居ます。

まとめ

最後に、特に重要そうな項目をまとめてリスト化しています。

  • CPUはPCの頭脳とも呼ばれる、非常に重要なパーツ
  • コア・スレッドは多ければ良いという訳ではない
  • メモリーがCPUの作業場となる
  • CPUの性能が低いとGPUの性能を最大限発揮できない可能性がある(ボトルネック)

記事はここまでです。ご覧いただきありがとうございました。

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。