クロックレート

コンピューティングにおいて、クロックレートまたはクロック速度とは、プロセッサのクロックジェネレータが、そのコンポーネントの動作を同期するために使用されるパルスを生成できる周波数のことです。 ^{[ 1 ]}これはプロセッサの速度の指標として使用されます。クロックレートは、周波数のSI単位であるヘルツ（記号Hz）で測定されます。

第一世代のコンピュータのクロック周波数はヘルツ（Hz）またはキロヘルツ（kHz）で測定されていましたが、 1970年代から1980年代にかけて登場した最初のパーソナルコンピュータのクロック周波数はメガヘルツ（MHz）で測定されていました。21世紀に入り、最新のCPUの速度はギガヘルツ（GHz）で宣伝されるのが一般的になりました。この指標は、パフォーマンスに影響を与える可能性のある他の機能を一定に保ちながら、同じファミリーのプロセッサを比較する場合に最も役立ちます。

最初の完全機械式デジタルコンピュータであるZ1は 、 1Hz（1秒あたりのサイクル数）のクロック周波数で動作し、最初の電気機械式汎用コンピュータであるZ3は、約5～10Hzの周波数で動作しました 。最初の電子式汎用コンピュータであるENIACは、 サイクルユニットに100kHzのクロックを使用していました。各命令の実行に20サイクルかかったため、命令レートは5kHzでした 。

最初の商用PCであるAltair 8800（MITS製）は、クロック周波数2MHz  （毎秒200万サイクル）のIntel 8080 CPUを使用していた。初代IBM PC（1981年頃）のクロック周波数は4.77MHz  （毎秒4,772,727サイクル）だった。1992年には、ヒューレット・パッカードとデジタル・イクイップメント・コーポレーション（DEC）がそれぞれPA-7100とAXP 21064 DEC AlphaでRISC 技術により100MHzを超えた。1995年には、IntelのP5 Pentiumチップが100MHz（毎秒1億サイクル）で動作した。2000年3月6日、 AMDはIntelがシステムに1GHzを搭載する数日前に、1GHzのマイルストーンを突破したことを実証した。 2002年、インテルのPentium 4モデルが、クロック周波数3GHz （毎秒30億サイクル、1サイクルあたり約0.33ナノ秒に相当）を実現した初のCPUとして登場しました。それ以降、量産プロセッサのクロック周波数はより緩やかに上昇しており、性能向上は他の設計変更によってもたらされています。    

2011年に樹立されたギネス世界記録の最高CPUクロックレートは、 LHe / LN2クライオバスでオーバークロックされたAMD FX-8150 Bulldozer ベースのチップで8.42938GHz 、空冷で5GHzです。^{[ 5 ] [ 6 ]}これは、 2012年11月に達成された、LN2に浸されたAMD FX-8350 Piledriverベースのチップで達成されたCPUクロックレートの最高CPUクロックレートのCPU-Zオーバークロック記録8.79433GHzによって上回られています。[ 7 ] [ 8 ]また^{、 HWBOT周波数ランキングのトップ}に立つ、わずかに遅い8.72GHzにオーバークロックされたAMD FX-8370によっても上回られています。^{[ 9 ] [ 10 ]}これらの記録は、2025年にIntel Core i9-14900KFが9.12GHzにオーバークロックされたときに破られました。^{[ 11 ]}   

市販プロセッサの中で最高のブーストクロックレートは、 2024年第1四半期に発売されたi9-14900KSで、クロック周波数は6.2GHzです。 ^{[ 12 ]} 

エンジニアたちは、より迅速に安定動作したり、遷移あたりのエネルギー消費量をわずかに削減したりするCPUを設計する新たな方法を模索し続け、これらの限界を押し広げ、より高いクロック周波数で動作可能な新しいCPUを生み出している。遷移あたりのエネルギー消費量の究極的な限界は、可逆コンピューティングにおいて探求されている。

最初の完全可逆CPUであるPendulumは、1990年代後半にマサチューセッツ工科大学で標準CMOSトランジスタを使用して実装されました。^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

エンジニアたちは、CPUが1クロックサイクルあたりにより多くの命令を実行できるように設計する新たな方法を模索し続けている。これにより、旧型のCPUと同じかそれ以下のクロック周波数で動作させながらも、 CPI（1命令あたりのサイクル数、つまりクロックサイクル数）を低減できる。これは、命令パイプライン処理やアウトオブオーダー実行といったアーキテクチャ技術によって実現され、コード内の命令レベルの並列性を活用しようとするものである。

CPUのクロック周波数は、同じファミリーのCPU同士を比較する際に最も役立ちます。クロック周波数は、異なるファミリーのプロセッサを比較する際にパフォーマンスに影響を与える要因の1つにすぎません。たとえば、50MHzで動作するIntel 80486 CPU を搭載したIBM PCは、同じCPUとメモリを搭載し25MHzで動作するものと比べて 、（内部的には）約2倍の速度になります。一方、同じクロック周波数で動作するMIPS R4000では、アーキテクチャとマイクロアーキテクチャが異なるため、同じことは当てはまりません。さらに、「累積クロック周波数」という指標は、コアの総数に合計クロック周波数を掛けることで算出される場合もあります（たとえば、2.8GHzデュアルコア プロセッサは、累積クロック周波数が5.6GHzになります ）。CPUのパフォーマンスを比較する際には、CPUのデータバス幅、メモリのレイテンシ、キャッシュアーキテクチャなど、他にも考慮すべき要素が数多くあります。

異なるCPUファミリーを比較する場合、クロック周波数だけでは性能を正確に測る指標とはなり得ないと考えられています。ソフトウェアベンチマークの方がより有用です。異なるCPUが1サイクルで実行できる処理量は異なるため、クロック周波数だけでは誤解を招く可能性があります。例えば、スーパースカラプロセッサは（平均して）1サイクルあたり複数の命令を実行できますが、実際には1クロックサイクルで「それより少ない」処理しか実行できないことも珍しくありません。さらに、サブスカラCPUや並列処理の利用も、クロック周波数に関係なくコンピュータの性能に影響を与える可能性があります。