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は通常、プロセッサのクロックジェネレータがパルスを生成できる周波数を指します。パルスはコンポーネントの動作を同期するために使用されます。 ^[1]プロセッサの速度の指標として使用されます。SI単位系の周波数ヘルツ(Hz)で測定されます。

第一世代のコンピュータのクロック レートはヘルツまたはキロヘルツ (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(PC) のクロック レートはメガヘルツ (MHz) で測定され、21 世紀では、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です。このメトリックは、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、同じファミリ内のプロセッサを比較する場合に最も役立ちます。

現代のプロセッサの製造業者は、通常、より高いクロック レートで動作するプロセッサに対して高い価格を請求します。これはビニングと呼ばれる手法です。特定の CPU の場合、クロック レートは製造プロセスの最後に各プロセッサのテストを通じて決定されます。チップ製造業者は「最大クロック レート」仕様を公開し、最も複雑な命令を最も安定するまでに最も長い時間がかかるデータ パターンで実行する場合でも、チップがその仕様を満たしていることを確認するために販売前にテストを行います (パフォーマンスが最も低くなる温度と電圧でテスト)。特定の標準セットへの準拠のテストに合格したプロセッサは、より高いクロック レート (例: 3.50 GHz) でラベル付けされることがあります。一方、より高いクロック レートの標準には合格しなかったものの、より低いクロック レートの標準には合格したプロセッサは、より低いクロック レート (例: 3.3 GHz) でラベル付けされ、より低価格で販売されます。^{[2] [3]}

CPU のクロック レートは通常、発振器の水晶の周波数によって決まります。通常、水晶発振器は固定の正弦波(周波数基準信号) を生成します。電子回路はそれをデジタル エレクトロニクス アプリケーション用の同じ周波数の矩形波に変換します ( CPU 乗算器を使用する場合は、水晶基準周波数の固定倍数)。CPU内のクロック分配ネットワークは、そのクロック信号を必要なすべての部分に送ります。A /D コンバータには、サンプリング レートを設定するために同様のシステムで駆動される「クロック」ピンがあります。特定の CPU では、水晶を半分の周波数で発振する別の水晶に交換すると (「アンダークロック」)、CPU のパフォーマンスが半分になり、 CPU によって生成される廃熱が減ります。逆に、発振器の水晶をより高周波数の水晶に交換して (「オーバークロック」)、CPU のパフォーマンスを上げようとする人もいます。^[4]ただし、オーバークロックの量は、CPU が各パルスの後に安定するまでの時間、および発生する余分な熱によって制限されます。

各クロック パルスの後、CPU 内の信号線は新しい状態に落ち着くまでに時間がかかります。つまり、すべての信号線は 0 から 1 へ、または 1 から 0 への遷移を完了する必要があります。次のクロック パルスがその前に来ると、結果は不正確になります。遷移の過程で、一部のエネルギーが熱として無駄になります (主に駆動トランジスタ内部で)。多くの遷移を引き起こす複雑な命令を実行する場合、クロック レートが高いほど、発生する熱が多くなります。トランジスタは過度の熱によって損傷を受ける可能性があります。

完全に静的なコアが使用されない限り、クロック レートには下限もあります。

最初の完全に機械的なアナログ コンピュータであるZ1 は、1 Hz (サイクル/秒) 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 ～ 10 Hz 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 ユニットで 100 kHz のクロックを使用しました。各命令に 20 サイクルかかったため、命令レートは 5 kHz でした。

最初の商用 PC であるAltair 8800 (MITS 製) は、クロック レートが 2 MHz (200 万サイクル/秒) の Intel 8080 CPU を採用していました。オリジナルのIBM PC (1981 年頃) のクロック レートは 4.77 MHz (4,772,727 サイクル/秒) でした。1992 年には、Hewlett-Packard と Digital Equipment Corporation (DEC) の両社が、それぞれPA-7100 と AXP 21064 DEC AlphaでRISC技術を使用して 100 MHz を超えました。1995 年には、Intel のP5 Pentiumチップが 100 MHz (1 億サイクル/秒) で動作しました。2000 年 3 月 6 日、AMD はIntel が 1 GHz のシステムを出荷する数日前に 1 GHz のマイルストーンを突破しました。 2002 年に、クロック レート 3 GHz (1 秒あたり 30 億サイクル、1 サイクルあたり約 0.33ナノ秒に相当) の最初の CPU としてIntel Pentium 4モデルが導入されました。それ以降、量産プロセッサのクロック レートは緩やかに増加し、他の設計変更によるパフォーマンスの向上が実現しました。

2011年に樹立されたCPU最高クロックレートのギネス世界記録は、オーバークロックされたAMD FX-8150 Bulldozerベースのチップを液体ヘリウム/液体窒素クライオバスで使用し、オンエアで5GHzの8.42938GHzを記録したものだ。^{[5] [6]}これは、2012年11月に達成された、液体窒素に浸したAMD FX-8350 Piledriverベースのチップを使用したCPU-Zの最高CPU クロックレート8.79433GHzによって上回られた。 ^{[7] [8]}また、わずかに遅いAMD FX-8370をオーバークロックして8.72GHzに上げ、HWBOT周波数ランキングでトップになった。^{[9] [10]}これらの記録は、2022年後半にIntel Core i9-13900Kが9.008GHzにオーバークロックされたときに破られた。^[11]

量産プロセッサの最高ベースクロックレートは、2024年第1四半期にリリースされた6.2GHzのi9-14900KSです。 ^[12]

エンジニアは、CPU を設計する新しい方法を模索し続けており、より早く安定したり、遷移あたりのエネルギー消費量をわずかに減らしたりすることで、こうした限界を押し広げ、わずかに高いクロック レートで動作できる新しい CPU を生み出しています。遷移あたりのエネルギーの究極の限界は、可逆コンピューティングで探求されています。

最初の完全に可逆的な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]}

エンジニアは、古い CPU と同じかそれより低いクロック レートで動作しながらも、クロック サイクルごとにより多くの命令を完了し、CPI (命令あたりのサイクルまたはクロック サイクル) 数を低減する新しい CPU 設計方法も模索し続けています。これは、コード内の 命令レベルの並列処理を活用する命令パイプラインやアウトオブオーダー実行などのアーキテクチャ技術によって実現されます。

CPU のクロック レートは、同じファミリーの CPU を比較する場合に最も役立ちます。クロック レートは、異なるファミリーのプロセッサを比較するときにパフォーマンスに影響を与える可能性のあるいくつかの要因の 1 つにすぎません。たとえば、 50 MHz で動作するIntel 80486 CPU を搭載した IBM PC は、25 MHz で動作する同じ CPU とメモリを搭載した PC よりも約 2 倍高速になります (内部のみ)。一方、同じクロック レートで動作する MIPS R4000 の場合は、2 つが異なるアーキテクチャとマイクロアーキテクチャを実装する異なるプロセッサであるため、同じことは当てはまりません。さらに、合計コア数に合計クロック レートを掛けて「累積クロック レート」の測定値が想定されることもあります (たとえば、デュアル コア 2.8 GHz プロセッサは累積 5.6 GHz で動作します)。CPU のパフォーマンスを比較する場合、CPU のデータ バスの幅、メモリのレイテンシ、キャッシュアーキテクチャなど、 考慮すべき要因は他にも多数あります。

異なる CPU ファミリを比較する場合、クロック レートのみではパフォーマンスの測定基準として不正確であると一般に考えられています。ソフトウェアベンチマークの方が便利です。CPU によって 1 サイクルで実行できる作業量が異なるため、クロック レートは誤解を招く場合があります。たとえば、スーパースカラープロセッサは 1 サイクルあたり複数の命令を実行できます (平均) が、クロック サイクルで「より少ない」処理を実行することも珍しくありません。さらに、サブスカラー CPU や並列処理の使用も、クロック レートに関係なく、コンピュータのパフォーマンスに影響を与える可能性があります。