おはようございます🌞
今回は、
【テック投資】CPUと半導体メモリの仕組みを、理解しよう！
【CPUとは!? (基礎おさらい)】
『CPU』
プログラムを解釈して、その命令に従ってデータを計算したり、メモリ・ハードディスク・ディスプレイ・マウス等に命令を出す半導体の中心部にある部品の事。計算・命令・制御等の複雑な処理をこなす。パソコンやスマホ等の電子機器の処理能力に大きく関わる為、『コンピューターの頭脳』と呼ばれている。
プログラム(ソフトウェア)･･･装置をどう制御するかCPUに教える指示書
正式名称は、Central Processing Unit。
『CPUの種類』(％は世界シェア)
・スマホCPU…Arm (99％以上)
・パソコンCPU…Intel(約70％)・AMD(約20%)
【コンピュータの構成要素】
『コンピュータ、5つの構成要素(5大要素)』
①.入力装置…マウス、キーボード、カメラ、ゲームコントローラー等
コンピュータにデータや命令を入力する装置
②.記憶装置…メモリ、ハードディスク等
●主記憶装置…メモリ
「役目」
CPUと補助記憶装置のデータの橋渡し役。
CP・スマホ・家電等の電子機器ほぼ全てに内蔵されている。
「長所」
電気で管理する為、処理速度が速い。
「短所」
電源を切ると、データが消えてしまう。
※CPUと補助記憶装置の性能差を埋める為の半導体の”1”部品
※補助記憶装置から取ってきたデータの一時的(短期的)な保管場所
※CPUや出力・入力装置と密接に連動している
「メモリ管理」
・メモリは容量に上限がある為、プログラムでメモリの確保&解放を管理する必要有。
・ガベージコレクション…コンピュータが自動でメモリ管理をする機能の事。
💻ガベージコレクションを実装しているプログラミング言語
Java、C＃、Python、PHP、JavaScript等
💻ガベージコレクション実装していないプログラミング言語
C言語、C++、Rust
ガベージコレクション実装無し言語では手動でメモリ確保、解放を行う必要有。
例:C言語なら確保は”malloc()” 解放は”free()”
半導体メモリ (主記憶装置)
●補助記憶装置…ハードディスク、USB等
「役目」
光・磁気で管理している。データの長期保管場所。
「長所」
電源を切っても大容量の保存(記憶)が可能。
「短所」
入出力のスピードは、遅い。
※別名:ストレージ、データの長期保存が役目
※ストレージは「保管庫」「貯蔵」の意味
※豆知識:データの読み込み速度比較
・CPU…1ns(1億分の1秒)
・メモリ…100ns(100万分の1秒) 速いが小容量
・ハードディスク…1ms(1000分の1秒) 遅いが大容量
③.演算装置…CPU
四則演算やデータ同士の比較等を行うの演算処理CPU。
④.制御装置…CPU
命令の実行、周辺機器への動作の制御を行う制御処理CPU。
コンピュータ全体の司令塔の役割を果たす。コンピュータの『頭脳』。
・演算装置と制御装置の2つの事を『CPU』と呼ぶ。
⑤.出力装置…ディスプレイ、プリンター等
人間が認識できる様にデータを出力する装置
これらは、コンピュータの5大装置・5大機能とも呼ばれている。これらが相互にデータの通信と制御を行い、コンピュータを動かしている。
【入力から出力までの流れ(簡単に)】
1.入力装置 (カメラ・キーボード・マウス)
↓↓↓
2.記憶装置 (半導体メモリ・ハードディスク)
↓↓↓
3.CPU(演算装置) 「コンピュータの頭脳」
↓↓↓
4.CPU(制御装置) 「コンピュータの頭脳」
↓↓↓
5.出力装置 (ディスプレイ・プリンター)
【CPUとメモリの仕組み(簡単に)】
●CPU(制御装置) 主構成要素
・プログラムカウンタ
…次の命令アドレス この値をメモリに参照する。
・命令レジスタ
…命令の保存場所。 小さい記憶領域。 メモリから情報を読込む。
・命令解読機
…命令レジスタに入った命令を解読する機器部分。
・クロックジェネレータ
…クロック信号をジェネレート(生成)する装置の事。
※クロック信号とは!?
…制御CPUと演算CPUの動作を合わせる為の周期的な信号の事。
…人間で例えるならダンスの手拍子。手拍子が速い程、ダンス全体も速く同期する。
※クロック周波数(Hz.GHz)
…単位「Hz」 1秒間に何回クロック信号が送られたかの単位。
※例:1GHz＝1秒間に10億回クロック信号を発信
※クロック信号のテンポを速くする→CPUは高速になる＝高性能CPU
●メモリ (主記憶装置)
命令・データ・アドレスが一時的に保管されている半導体内のデータ保管場所。
①.まず、CPU(制御装置)からの命令を受け補助記憶装置からデータを取ってくる。
②.CPU(制御装置)やCPU(演算装置)に受け取ったデータを渡していく。
メモリ (主記憶装置)はCPUと補助記憶装置の緩衝地帯的な役割。
このメモリ (主記憶装置)がある事で、非常に速いデータの受け渡しが可能になる。
上記・CPU構造解説画像例 (せかチャンYouTube)
READ A.100
…汎用レジスタAにアドレス100を読み込む
READ B.101
…汎用レジスタBにアドレス101を読み込む
ADD A.B
…汎用レジスタAとBを足す
WRITE 102.C
…アドレス102にCの値を書き込む
STOP
…一連の計算終了
※命令の書き方はCPUやメモリによって異なる
●CPU(演算装置) 主構成要素汎用レジスタ…汎用的に使用可能。小さい記憶領域の事。
算術論理演算装置…CPU内の計算機器。
CPU(演算装置)はメモリ(主記憶装置)から取ってきたデータを汎用レジスタへ格納。入ってきたデータを演算(計算)し、メモリ(主記憶装置)へ出力する事が主な機能。
CPUとメモリの仕組み
【番外編:コンピュータの処理効率を上げる技術】
『ビット数』
「ビット数＝CPUの中で一度に扱える情報量の事
ひと昔前は32ビットが主流だったが、今は64ビットが主流。CPUが扱える情報量が増えた事で、一度でより複雑でより多くの情報を処理できる様になっている。
『クロック周波数を上げる』
クロック周波数を上げるとコンピュータの処理速度も上がる。ただ、デメリットとして電力消費量が多くなったり、CPUの発熱量も多くなりがち...2024年現在、この「クロック周波数を上げる」技術、CPU性能向上方法は今、技術的な限界に近づいている。
『マルチコアプロセッサーを使う』
「マルチコアプロセッサー」
プロセッサー…CPUの事
コア…核 (CPUの演算・制御機能)
マルチ…複数の意味
つまり、マルチコアプロセッサーとは核 (演算CPUや制御CPU)を複数持たせた「CPU」の事。当然、核が複数存在すれば、計算能力や制御能力が上がりコンピュータの性能も各段に向上する。
デュアルコア(Core)･･･2個のコアを搭載したCPU
クアッドコア(Core)･･･4個のコアを搭載したCPU
マルチコア(Core)･･･数に関係なく複数のコアを搭載したCPU
『スレッド』
スレッド･･･CPUの制御装置”だけ”を増やす技術の事。
複数の制御装置を機能させる事で、演算装置を休まず働かせる事が出来る。
結果→コンピューターの性能が上がる。
※演算装置が増えている訳では無いので、Coreの増加程には性能向上しない。
【メッチョ所見】
詳しい人からすれば、基礎中の基礎かも知れませんが今日はここまで。CPUとメモリ(主記憶装置と補助記憶装置)の関係性やどういう連動が行われているのかがイメージできる様になった事は良かった。Arm製品の理解度も少しは増していきそう！基礎からですが、今日のポイントを忘れない内にCPUとGPUの構造的な違いについてもやっていきます。
今回は、以上です！
#SBG系 #投資
#半導体 #経営経済 #AI・AGI
#ESG強化 #NAVディスカウント解消
