【CPUの基本】図解で分かりやすい「クロック周波数」の意味とは?

CPUを選ぶ時によく見られるスペックの一つが「クロック周波数」です。一般的にCPUのスピードを示すという解説がされますが、今のCPUに関しては一概にそうは言えないのが実情。

この記事では、パソコン初心者にも分かりやすようCPUのクロック周波数について説明してみる。

「クロック周波数」とは

パソコンの世界では、あらゆる情報は「0」と「1」の2つの数字によって表現されます。なぜ2つの数字だけでしか表現できないのか、と言うとパソコンの世界を動かす動力が「電気」だから。

電気に出来ることはものすごくシンプルで、「OFF」（0）か「ON」（1）しか無いんです。このオンオフの切り替えスピードが速ければ速いほど、同じ時間で処理できる情報量が増えて、性能が高くなるという理屈です。

つまりCPUのクロック周波数とは、このオンオフの切り替えスピードのことを指します。

クロック周波数の単位

「Hz」（ヘルツ）という単位が使われています。1秒間に何回振動したかを示す単位で、CPUでは1秒間に何回オンオフの切り替えが出来たかを示すイメージで問題ありません。

世界初のCPUは375 KHz（キロヘルツ）で、2～3年ですぐにMHz（メガヘルツ）に移りました。その後はインテルとAMDが熾烈な競争を繰り広げ、新製品が出るたびにクロック周波数は上昇していきました。

2000年にAMDが世界初の1000 MHz、つまり1 GHz（ギガヘルツ）超えを達成して以降は、GHzがCPUのクロック周波数を示す単位として主流になっています（2019年時点）。

クロック周波数 = CPUの性能

「クロック周波数 = CPUの処理性能」という考え方でだいたい合っています。実際にクロック周波数がこの20～30年の間に飛躍的に伸びたことで、CPUの処理性能も大幅に進化しました。

CPUが登場したての頃は1秒間に、たったの38万回しか処理できなかった。それが2000年代に入ると1秒間に10億回（1 GHz～）も処理できるようになって、現在はオーバークロックも含めれば1秒間に50億回以上（5 GHz超え）の処理性能を手に入れるに至っています

今、PCパーツショップで1～2万円で売られているCPUの性能は、20～30年前の何十億円もするようなスーパーコンピューターすら超える性能にまで進化してしまいました。

現在はクロック周波数は一つの目安にすぎない

クロック周波数は速ければ速いほど、確かにパソコンの処理性能が上昇します。しかし、それはクロック周波数が毎年のように改良された時代の話で、2008年以降は少し事情が違ってきます。

2008年頃に販売されたCPUは概ねクロック周波数が3.0 GHzを超えるようになった。それから約10年が経つ2017年時点、店頭に並ぶ多くのCPUのクロック周波数は、基本的に3.0 GHz台です。ハイエンドなCPUになると4.0 GHzを超えます。

そう、この10年間CPUのクロック周波数は飛躍的な進化を遂げていないのです。それでも性能は大幅に進化しています。なぜか？

1. シングルコアからマルチコアへの移行
2. プロセスルールの大幅な縮小化
3. 命令セットや拡張機能の進歩
4. 内蔵キャッシュメモリの大容量化

主にこの4つが要因です。実はクロック周波数が高くしたところ、問題になったのがCPUの発熱でした。性能を上げるためにクロック周波数を上げようとすると、今度は熱に耐えきれず商品にならなかったのです。

「クロック周波数」以外の方法で性能アップを目指す

結果として生み出された解決策が「CPU1個に一人任せにせず、2個や4個入れて仕事を分担作業させれば行けるのは？」という策です。実際にこれは上手くいき、クロック周波数は伸びずとも搭載コア数は増え、性能アップを実現します。

【CPUの基本】図解でよくわかる「マルチコア / スレッド」の意味

他には、少ないクロック周波数で同じ処理性能を出すために、CPUの処理を効率化する方法もさかんに採用されています。たとえば「拡張機能」や「命令セット」と呼ばれるものがそうです。

CPUを製造する時に使うプロセスルールを細かくして、同じ面積にのせられるチップ（素子）の数を増やす方法も主流です。特にプロセスルールの進化は、CPUの「マルチコア化」に大きく貢献しています。

【CPUの基本】図解でよく分かる「プロセスルール」の意味

最近では、CPUに内蔵されているメモリ（= キャッシュと呼ばれます）をもっと大容量にして、性能アップを目指す方法も採用されています。特にインテルのライバルである、AMD社の「Ryzen」シリーズはキャッシュの大容量化に積極的です。

CPUの基本「クロック周波数」まとめ

クロック周波数はCPUの性能を分かりやすく示すスペックとして、今でも有効です。しかし、ここまで解説したとおりクロック周波数以外の部分で、CPUの性能は大きく変わる時代になっています。

例：同じクロック周波数のCPU
CPU	クロック周波数	コア数	性能
	3.5 GHz	8コア	1349 cb
	3.5 GHz	6コア	966 cb
	3.5 GHz	4コア	669 cb

仮に同じクロック周波数のCore i3 / i5 / i7があった場合、性能はコア数が多いほど高くなります。3.5 GHz（4コア）よりも、当然3.5 GHz（6コア）の方が優秀です。

そしてコア数の違いをクロック周波数で埋めるのは、極めて難しいことも知っておきたいです。4コアと6コアでは約1.5倍の性能差があり、追いつくためには1.5倍のクロック周波数が必要になります。

しかし、3.5 GHzの1.5倍は5.25 ～ 5.30 GHzにもなり、相当の技術とお金（高性能なCPUクーラーなど）がなければ届きません。

例：クロック周波数だけが違うCPU
CPU	クロック周波数	コア数	性能
	5.0 GHz	6コア	1219 cb
	4.2 GHz	6コア	1047 cb
	3.5 GHz	6コア	966 cb

同じコア数のCPUで比較するなら、クロック周波数が高いほど高性能です。クロック周波数で性能を判断する時は、なるべく同じコア数のCPU同士の比較にしておきましょう。

以上、「【CPUの基本】図解で分かりやすい「クロック周波数」の意味とは？」について解説でした。

超わかりやすい「CPU」の性能比較表

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