CPUのクロック周波数(動作周波数)とは

クロック周波数とは

クロック周波数は通常「GHz（ギガヘルツ）」という単位で表されます。例えば「3.5GHz」のCPUは、1秒間に35億回のクロック信号に基づいた処理を実行できることを意味します(ギガ：10⁹=10億の意味)。

基本的に、クロック周波数が高いほどCPUの処理速度が速くなる傾向にあります。もちろん、CPUの性能は、コア数やスレッド数、キャッシュメモリなど複数の要素に左右されるため、クロック周波数だけで単純に性能を比較することはできません。

CPUとは：コア数・スレッド数・動作周波数・キャッシュメモリの違い

クロック周波数の重要性

クロック周波数が高いほどCPUの性能が高いことはわかったと思います。ではなぜ、クロック周波数はCPU性能に影響を与えるのでしょうか？

CPUは以下の4つの動作を繰り返して命令を処理しています。

1. フェッチ：命令の読み込み
2. デコード：命令の解読
3. エグゼキュート：命令の実行
4. ライトバック：結果の出力

クロック周波数は、CPUの動作のタイミングを刻むメトロノームのような役割を果たします。CPUの各処理は、このクロック信号のタイミングに合わせて実行されます。すなわち、1秒間のクロック数(=クロック周波数)が多いほど、時間当たりの処理回数が増え、より多くの処理を短時間で実行できるのです。

CPUの動作原理：フェッチ・デコード・実行・出力とは

クロック信号の役割

ではなぜ、CPUは一定のタイミングに合わせて処理を実行する必要があるのでしょうか？

パソコンには、CPU、メモリ(RAM)、ハードディスク(HDD)、グラフィックカード(GPU)などさまざまな装置が組み込まれています。これらの装置は、それぞれ異なる速度で動いており、もしタイミングが合わないままデータのやり取りを行うと、データがうまく届かなかったり、処理が遅れたりすることがあります。

この問題を解決するために、マザーボードには「水晶発振器」という部品があり、一定のリズムでクロック信号を発信しています。クロック信号は、全ての装置が共通のリズムで動作するように「合図」を送る役割を果たします。たとえば、CPUがデータをメモリに書き込むタイミングや、グラフィックカードが画面に描画するタイミングをクロック信号に合わせることで、すべての装置がうまく協調して動作します。

クロック信号による動作の調和：ゲームの例

クロック信号の重要性を、PCゲームを例に考えてみましょう。

ゲーム内でCPUが処理している以下のようなタスクは、すべて正確なタイミングで行われなければなりません。

• キャラクターの動き計算

プレイヤーが前進ボタンを押した際に、キャラクターの位置座標をリアルタイムで更新する処理

• 敵キャラクターの行動決定

敵キャラクターがプレイヤーの位置を検出し、どのタイミングで攻撃するべきかを判断するアルゴリズムの実行

• 物理演算

プレイヤーキャラクターがジャンプする際に、上昇する力と重力による下降を計算して、自然な動きを再現し実行

• 描画指示

プレイヤーの位置やゲーム内の状況に基づいて、壁、敵キャラクター、背景の位置や色などをGPUに指示、リアルタイムで映像を生成する処理

もし、これらの処理がタイミングを合わせずバラバラに進むと、例えば、次のような問題が発生します。

• キャラクターの動きが遅れる

プレイヤーが前進ボタンを押しても、画面上でその動きが遅れて反映される

• 敵の動作が不自然

敵キャラクターが突然ワープしたり、動きがランダムに感じられる

• 描画と物理演算が同期しない

キャラクターが壁にぶつかる際、その衝突が計算されず、壁に突き抜けて進んでしまう

これらの問題を無くすため、クロック信号が重要な役割を果たします。クロック信号は、ゲーム内の全ての処理が同じテンポで進行するように指示を出す「メトロノーム」のような役割を担っています。クロック信号は、例えば、次のようにゲーム内の各処理のタイミングを合わせることで、自然にゲームを進行させています。

• キャラクターの動き計算

クロック1で、プレイヤーの前進操作に基づくキャラクターの位置計算が行われます

• 敵キャラクターの行動決定

クロック2で、敵キャラクターがプレイヤーの位置を検出し、攻撃や回避を決定します

• 物理演算

クロック3で、キャラクターが壁に衝突する際の動きや、ジャンプの上下の挙動などが計算されます

• 描画指示

クロック4で、ゲーム内のキャラクター、背景、敵などをGPUに描画する指示が出されます

このように、クロック信号によって各処理が順序良く(または同時に)処理されるため、ゲーム内でスムーズな動作が実現するのです。

さらに詳細に言うと、ゲームの動作はCPU内部や他のデバイス(GPUやメモリなど)との協調によって成り立っています。これらのデバイス間で処理タイミングを正確に合わせないと、ゲームがスムーズで自然に動くことはありません。ゲームだけでなく、パソコン全体の動作でも動作タイミングの一致は重要です。

このように、CPUのクロック信号はパソコンの動作において非常に重要な役割を果たしています。