「CPU」の版間の差分

== 呼称概要 ==

「CPU」の意味は、厳密に言うと、「[[プロセッサ]]」{{efn|[[インテル]]の日本法人は「プロセッサー」と表記している<ref>[https://www.intel.co.jp/content/www/jp/ja/products/details/processors/core.html インテル® Core™ プロセッサー・ファミリー - 最新世代の Core™ プロセッサー・ファミリーを表示する]</ref>。}}とや「[[マイクロプロセッサ]]」という語は、ほぼ同義語とし意味が異なって使われる場合も多いがおり、厳密には以下に述べるように範囲の違いがある。

大規模[[集積回路]]（LSI）の発達により、1個またもともとはごく少数のチップに全機能が集積されたマイクロプロセッサが誕生する以前、多数コンピュータの（小規模）集積回路（さらにそれ以前中央処理装置（CPU）は、ディスクリート{{efn|（[[ダイオード]]や[[トランジスタ]]など、単機能の個別半導体で構成された電子回路。}}）からな成る巨かなり大きなサイズの[[電子回路がプロセッサ]]であり作られた。やがて[[集積回路]]を作れるようになると、CPUであそれを使い中央処理装置を作るようになった。（なお、大型汎用機を指す「[[メインフレーム]]」という語は、元々もともとは多数の架（フレーム）からな成る大型汎用機システムにおいて、CPUの収まる主要部（メイン）、という所から来ている。）　さらに大規模集積回路（[[LSI]]）を作れるようになると、やがてCPUの機能を含んだ[[マイクロプロセッサ]]を製造できるようになり、それがCPUとして使われている（ただしマイクロプロセッサはCPU以外の用途で使われているほうがはるかに数が多い。例えばPCの[[電源]]部に内蔵されている[[制御装置|制御]]用[[マイクロコントローラ]]はマイクロプロセッサの一種だが、PCのCPUではない。）

現在のCPUは、部品としては[[プロセッサ]]の1種である。プロセッサの多くは[[マイクロチップ]]として実装されており、[[マイクロプロセッサ]]やMPU (Micro Processing Unit) と呼ばれる。また、算術演算機能を強化し信号処理に特化した[[デジタルシグナルプロセッサ]] (DSP) や、メモリや周辺回路を搭載し[[組み込みシステム|組込機器]]制御がを目的のとした[[マイクロコントローラ]]（マイコン）などの展開種も登場している。

{{citeCite web|和書

</ref>など、[[家電機器|家電製品]]から[[工業製品]]、[[携帯機器]]などに至る多くのシステムに組み込まれ、機器制御を司っている。また、[[パーソナルコンピュータ]] (PC) など、現在の汎用コンピュータ製品における多くのシステムのメインCPUに[[x86|x86アーキテクチャ]]が用いられており、[[インテル]]のx86系CPU出荷数は[[1978年]][[6月9日]]の[[Intel 8086|8086]]発売から[[2003年]]までの25年で10億個を越えた<ref>[httphttps://japan.cnet.com/newsarticle/ent20055162/story/0,2000056022,20055162,00.htm 25周年を迎えた、インテルのx86アーキテクチャ], 2003年6月10日, CNET Japan</ref>。

[[デジタル]]機器としてのCPUは、状態を変更したり表現したりするために、何らかの[[開閉器|スイッチ]]を必要とする。電気機械式から電子式への移行期には、[[継電器|リレー]]や[[真空管]]がスイッチとして使われた。これらは、従来の完全な機械式よりも高速にスイッチを切り替えられたが、[[チャタリング]]をはじめ、コイル（インダクタ）によって発生する高電圧などの問題があった。一方、真空管はチャタリングは起こさないが、機能するには熱が必要であり、劣化により動作中にカソードの電子放射能力が減退（エミッション減退）して動作不能になってしまう。真空管が劣化・故障したら、故障した部位を特定して交換しなければならない。したがって、初期の電子計算機は高速化は実現したものの、電気機械式計算機よりも信頼性が低かった。[[EDVAC]]のような真空管計算機は故障と故障の間の平均時間（[[平均故障間隔|MTBF]] = Mean Time Between Failure）は約 8 時間であったが、[[Harvard Mark I]]のようなリレー式計算機はほとんど故障しなかった。しかし、{{要検証範囲|date=2021-11|信頼性よりも性能が重視され{{efn|ここの「信頼性」の考え方には問題がある。対象の問題を解決するには一定量の計算量が必要なのであって、一定量の計算時間が必要なわけではない。従って、平均故障時間をそのまま比較するのではなく、性能比を考慮して比較しなければ意味がない。}}<!-- もし問題点や矛盾点があると思うんだったら、注釈で反論するような書き方はせず、本文の記述を修正しろよ……Wikipediaはお前のノートではないし、落書きをする場でもない。 -->}}、真空管式計算機が主流となっていった。当時の同期式CPUの[[クロック]]周波数は現在のCPUに比較すると非常に遅く、100 [[キロヘルツ|kHz]]〜4 [[メガヘルツ|MHz]]程度であった。これは、当時の論理素子（真空管）のスイッチング速度によって限界が定められていた。

CPUの設計と複雑さの進歩は、小型で信頼性の高い電子部品を使うことで、CPUの設計と複雑さの進歩がもたらされた。新たに発明され<!--トランジスタの初期。特に接合型の初期の合金型の初期は周波数特性が悪かったのです-->急激に性能の向上した[[トランジスタ]]の利用である。これによって、[[1950年代]]から[[1960年代]]には、かさばって信頼性の低い真空管やリレーはほとんど使われなくなり、トランジスタ製CPUが主流となった。この改善によってさらに複雑で信頼性のあるCPUを一枚から数枚の[[プリント基板]]で構成できるようになった。

CPUなどに使われる[[プロセッサ]]は、1970年代に1チップの大規模[[集積回路]]（[[LSI]]）に集積されるようになった（[[マイクロプロセッサ]]）。初期のマイクロプロセッサは4ビットや8ビットで、当時の[[ミニコンピュータ]]や[[メインフレーム]]のCPUに比べると非常に機能の限られたものであったが、1970年代末から1980年代の[[微細化]]の進展により、プロセス保護など当時の[[メインフレーム]]に相当するような機能を統合した32ビットプロセッサが現れた。組み込み用途には周辺機能やメモリ等を集積した、いわゆる[[マイクロコントローラ|ワンチップマイコン]]も普及した。初期のマイクロプロセッサは[[:en:NMOS logic|NMOSロジック回路]]で構成されていたが、1980年代には[[CMOS]]化が進み、消費電力が激減した（CMOSは消費電力は抑えられるが、当初は遅かったことから、電卓や時計など消費電力が重要で速度が重要でない分野でしか使われなかった）。CMOSは微細化が進めば進むほど[[静電容量]]が減り高速化でき、高速化を狙わない場合は低消費電力化できるという優れた特長があり（[[ロバート・デナード|デナード]]則）、動作周波数は2000年代にはGHzオーダーまで上がった。微細化はより多くのゲートを載せることができるということでもあり、[[命令パイプライン]]や[[アウト・オブ・オーダー実行]]などで[[命令レベルの並列性]]を引き出す、複雑で高性能なプロセッサが作られるようにもなった。微細化による集積度の向上の傾向は[[ムーアの法則]]により定性的<!--正確に-->にモデル化されている。ただし複雑化に比例して性能が線形に上がるわけではない（[[ポラックの法則]]）。しかし、2006年頃にはデナード則が崩れて、動作周波数の向上とマイクロアーキテクチャの複雑化で性能向上を図る方向性は行き詰まった。以降は（[[:en:Asymmetric multiprocessing|非対称型]]を含む）[[マルチコア]]化と、相対的に低いクロックでも高い性能を引き出しやすい[[SIMD]]の性能向上に力点が置かれている。

21世紀現在のコンピュータは、ほぼ全てが'''「二値論理」'''方式であり、そのうちのほぼ全てではないもののかなり多くが、'''二値論理に数の表現法として[[二進法]]'''を二値論理にマッピング'''して演算などを行っているが。{{efn|初期のデジタルコンピュータには、それ以前の[[機械式計算機]]に類似させたため（[[ENIAC]]の場合）や、事務的な計算のため（[[IBM 1401]]の場合）に、[[十進法]]を採用したものもあった（[[EDSAC]]のように二進のものもあった）。他には3進数を採用したものもあった。それ以降は[[二進法]]を採用するのが一般化した。二進法では各桁はふたつの値（1 と 0）しかとらないので、高い電圧と低い電圧でそれを表すことができる。}}、[[メインフレーム]]や、[[電卓]]用に特別に設計されたマイコン{{efn|人が気にならない程度に（すなわち、普通のCPUとは比較にならないほど）遅くても、人が気にならない程度に速ければ良いが、極めて省電力であることなどが要求される。}}や[[メインフレーム]]などには、広義の[[二進化十進表現]]に含まれるのような方式でハードウェアによって直接にで十進の計算を行う機能が強化されているものもある。1[[ビット]]が二進法の1桁である。ビット数を「ビット幅」などとも呼ぶ。<!--また、レジスタからデータが出て、演算器等を通り、そして別の、あるいは元のレジスタに戻る、というデータの通行路（バス）を「データバス」と言うが、その際に同時にまとめて扱われるひとかたまりの情報量を「データバス幅」と言う。--><!--これは「データバス」（「バ」は濁音）ではなく、「データパス」（「パ」は半濁音、data path）の説明になっている。「データバス」と「データパス」の違いについてはプロセッサ設計の教科書などを参照すること-->

:[[1980年代]]を中心に、一般的な[[家電機器|家電製品]]、[[キーボード (コンピュータ)|キーボード]]やマウス、[[電卓]]や[[時計]]など、ローエンドの[[組み込みシステム]]に広く用いられた。家電用の赤外線リモコンなど機能的に単純なものについては4ビットのマイクロプロセッサでも十分であるが、既に新規採用の事例はほとんどなくなっている。

[[パイプライン]]だけでは同期式CPUの問題を全て解決することはできない。たとえば、クロック信号は他の電気信号の遅延に影響される。クロック周波数が高くなり、さらに複雑なCPUを動作させようとしたとき、全回路を同期させるのが困難になってきた。このため、新たな高性能CPUでは1つのクロック信号でCPU全体を同期するのではなく、いくつかのクロック信号で各部分を個別に同期させるようにしている。また、クロック周波数が高くなるにつれてCPUの発熱が大きな問題となってきた。クロック信号が"Hi"と"Low"を繰り返すことで多くのロジック回路が同様に"Hi"と"Low"を繰り返し、その回路が演算処理に使われていない時でもクロック信号が供給されている間は無駄に動作して発熱する。21世紀現在CPUに使用されている半導体回路では、信号電圧を"Hi"か"Low"に保持し続けるよりも"Hi"から"Low"や"Low"から"Hi"へ移る時に多くの電気エネルギーを消費する。このため、CPUに高速処理能力を求めるとクロック周波数が高くなり発熱も多くなって、さらに冷却する必要が生じる。

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