プロセッサ設計

情報はデータパス（ ALUやパイプラインなど）を介して転送されます。これらのデータパスは、制御ユニットによってロジックを介して制御されます。メモリコンポーネントには、情報や特定のアクションを保持するためのレジスタファイルとキャッシュが含まれます。クロック回路は、クロックドライバ、 PLL、クロック分配ネットワークを介して内部のリズムとタイミングを維持します。パッドトランシーバ回路は信号の送受信を可能にし、ロジックを実装するために使用されるロジックゲートセルライブラリがあります。ロジックゲートは、プロセッサのコンポーネントのほとんどを実装するために使用されるため、プロセッサ設計の基礎となります。^{[ 6 ]}

高性能市場向けに設計された CPU は、周波数、消費電力、チップ面積の目標を達成するために、これらの各項目についてカスタム (最適化またはアプリケーション固有 (下記参照)) 設計が必要になる場合がありますが、低性能市場向けに設計された CPU は、これらの項目の一部を知的財産として購入することで実装の負担を軽減できます。制御ロジック実装技術 ( CADツールを使用したロジック合成) を使用して、データパス、レジスタ ファイル、クロックを実装できます。CPU 設計で使用される一般的なロジック スタイルには、非構造化ランダム ロジック、有限状態マシン、マイクロ プログラミング(1965 年から 1985 年まで一般的)、プログラマブル ロジック アレイ(1980 年代に一般的でしたが、現在は一般的ではありません) などがあります。

現代のプロセッサ設計は、汎用コアに加えて専用アクセラレータを統合するヘテロジニアスコンピューティングにますます依存するようになっている。最も注目すべき追加機能は、機械学習の数学（行列乗算）を標準のCPUよりも効率的に実行するように特別に設計されたニューラル処理ユニット（NPU）である。この特化により、AIワークロードのワットあたりのパフォーマンスが大幅に向上する。^{[ 7 ] [ 4 ]}

CPUロジックを実装するために使用されるデバイス技術は、時間の経過とともに変化してきました。初期の実装では、個々のリレー、真空管、ディスクリート部​​品（トランジスタとダイオード）が使用され、その後、小規模集積回路（ SLI ）のTTLチップが使用されるようになりましたが、これらは現在ではCPUには使用されていません。プログラマブルアレイロジックやその他のプログラマブルロジックデバイスも、この役割のCPUには使用されなくなり、ECLゲートアレイは現在では一般的ではありません。CMOSゲートアレイはもはやCPUには使用されていませんが、CMOS量産集積回路がCPUの大部分を占めています。カスタムCMOS ASICは、エンジニアリングコストが高いため、一般的には大量生産アプリケーションでのみ実用的です。フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）は、ソフトマイクロプロセッサでは依然として一般的であり、再構成可能なコンピューティングによく使用されます。

CPU設計プロジェクトには、一般的に以下の主要なタスクが含まれます。

• プログラマから見える命令セットアーキテクチャであり、さまざまなマイクロアーキテクチャによって実装できる。
• ANSI C / C++またはSystemCによるアーキテクチャ調査およびパフォーマンスモデリング
• 高位合成（HLS）またはレジスタ転送レベル（RTL、例えばロジック）による実装
• RTL検証
• 速度が重要なコンポーネント（キャッシュ、レジスタ、ALU）の回路設計
• 論理合成または論理ゲートレベル設計
• タイミング解析により、すべてのロジックと回路が指定された動作周波数で動作することを確認します。
• フロアプランニング、論理ゲートの配置と経路を含む物理設計
• RTL、ゲートレベル、トランジスタレベル、物理レベルの表現が等価であることを確認する
• 信号の完全性、チップの製造可能性をチェックします。

CPUコアをより小さなダイ面積に再設計することで、あらゆる部品の小型化（いわゆる「フォトマスク縮小」）が実現し、より小さなダイ上に同じ数のトランジスタを搭載することが可能になります。これにより、パフォーマンスの向上（トランジスタが小さくなるためスイッチング速度が速くなる）、消費電力の削減（配線が細くなるため寄生容量が小さくなる）、コスト削減（同じシリコンウェハ上に搭載できるCPUの数が増える）といったメリットが得られます。同じサイズのダイ上にCPUコアを小型化したCPUをリリースすることで、コストはほぼ一定に保たれつつ、1つの超大規模集積回路（VLSI）内に高レベルの集積化（追加キャッシュ、複数のCPU、その他のコンポーネントなど）が可能になり、パフォーマンスの向上とシステム全体のコスト削減につながります。

ほとんどの複雑な電子設計と同様に、 CPUの開発においても、論理検証（設計にバグがないことを証明する作業）がプロジェクトスケジュールの大部分を占めるようになっている。

CPU アーキテクチャの主要な革新には、アキュムレータ、インデックスレジスタ、汎用レジスタ、キャッシュ、仮想メモリ、命令パイプライン処理、スーパースカラ、CISC、RISC、仮想マシン、エミュレータ、マイクロプログラム、スタックなどがあります。

再構成可能なロジック、クロックレスCPU、演算RAM、光コンピューティングなど、さまざまな新しいCPU設計のアイデアが提案されている。

ベンチマークとは、CPUの速度をテストする方法の一つです。例としては、 Standard Performance Evaluation Corporationが開発したSPECintやSPECfp 、 Embedded Microprocessor Benchmark Consortium (EEMBC)が開発したConsumerMarkなどがあります。

一般的に使用される指標には以下のようなものがあります。

• 1秒あたりの命令数- ほとんどの消費者は、既存のコンパイル済みソフトウェアを多数実行できるように、コンピュータアーキテクチャ（通常はIntel IA32アーキテクチャ）を選択します。コンピュータのベンチマークについてあまり詳しくないため、動作周波数に基づいて特定のCPUを選択する人もいます（メガヘルツ神話を参照）。
• FLOPS（1秒あたりの浮動小数点演算回数）は、科学計算用のコンピュータを選定する際に重要な要素となることが多い。
• ワットあたりの性能- Googleなどの並列コンピュータを構築するシステム設計者は、CPU の電力コストが CPU 自体のコストを上回るため、ワットあたりの速度に基づいて CPU を選択します。^{[ 8 ] [ 9 ]}
• 並列コンピュータを構築するシステム設計者の中には、CPUを価格あたりの速度に基づいて選定する者もいる。
• リアルタイムコンピューティングシステムを構築するシステム設計者は、最悪ケースの応答を保証したいと考える。CPUの割り込みレイテンシが低く、応答が決定論的である場合、これは容易に実現できる。（DSP）
• アセンブリ言語で直接プログラミングを行うコンピュータプログラマーは、CPUがフル機能の命令セットをサポートすることを望んでいます。
• 低電力 - 電源が限られているシステム向け（例：太陽光発電、バッテリー、人力）。
• 小型軽量設計 ― 携帯型組み込みシステム、宇宙船用システムに最適。
• 環境への影響 - コンピュータの製造およびリサイクル時、ならびに使用時における環境への影響を最小限に抑える。廃棄物の削減、有害物質の削減。（グリーンコンピューティングを参照）。

これらの指標を最適化する際には、トレードオフが生じる可能性があります。特に、CPUの動作速度を向上させる多くの設計手法は、「ワットあたりの性能」、「ドルあたりの性能」、「決定論的応答」を著しく悪化させ、その逆もまた然りです。

汎用コンピューティング市場（デスクトップ、ラップトップ、サーバーコンピュータ）では、x86-64命令セットアーキテクチャを実装したプロセッサが依然として広く使用されており、IntelとAMDが主要サプライヤーとなっています。Mercury Researchは、x86 CPU市場において、Intelが2025年第3四半期の出荷台数の74.4%、AMDが25.6%を占めると推定しています。^{[ 10 ]} Armベースのプロセッサはスマートフォンで主流となっており、一部のPCやサーバーでも使用されています。ABI Researchは、ArmベースのPCが2025年のPC出荷台数全体の約13%を占めると予測しており、IDCは、Armアーキテクチャのサーバーが2025年のサーバー出荷台数全体の21.1%を占めると推定しています。^{[ 11 ]} RISC-Vも組み込みシステムで採用が拡大しており、一部のベンダーは自動車アプリケーション向けにRISC-Vベースのマイクロコントローラファミリを発表しています。^{[ 12 ]}

これらのデバイスは無数の異なる種類のプログラムを実行するために使用されるため、これらのCPU設計は特定の種類のアプリケーションや機能に特化しているわけではありません。幅広いプログラムを効率的に実行できるという要求により、これらのCPU設計は技術的に高度なものとなっていますが、比較的高価であることや消費電力が高いといった欠点もあります。

科学計算は、収益と出荷台数において、はるかに規模の小さいニッチ市場です。主に政府系研究機関や大学で利用されています。1990年以前は、CPU設計はしばしばこの市場向けに行われていましたが、大規模クラスタに構成されたマスマーケット向けCPUの方が、より手頃な価格であることが証明されました。科学計算におけるハードウェア設計と研究の主要分野は、マスマーケット向けCPUを接続するための高速データ伝送システムです。

出荷台数で見ると、ほとんどのCPUは電話、時計、家電製品、自動車、インフラなどの他の機器に組み込まれています。しかし、組み込みプロセッサは年間数十億台もの規模で販売されており、その価格帯は汎用プロセッサよりもはるかに低い場合がほとんどです。

これらの単機能デバイスは、より一般的な汎用CPUとはいくつかの点で異なります。

• 低コストは非常に重要です。
• 組み込み機器はバッテリー寿命が限られていることが多く、冷却ファンを搭載することが現実的でない場合も多いため、低消費電力を維持することが重要です。
• システムコストを削減するため、周辺機器はプロセッサと同じシリコンチップ上に統合されている。
• 周辺機器をチップ上に配置することで消費電力も削減できます。外部GPIOポートは通常、チップ外部で強力な信号を維持するために必要な比較的高い電流負荷を供給または吸収できるようにバッファリングを必要とするためです。
  • 多くの組み込みアプリケーションでは、回路を配置できる物理的なスペースが限られているため、周辺機器をチップ上に配置することで、回路基板に必要なスペースを削減できます。
  • プログラムメモリとデータメモリは、多くの場合、同じチップ上に統合されています。プログラムメモリとしてROMのみが使用可能な場合、そのデバイスはマイクロコントローラと呼ばれます。
• 多くの組み込みアプリケーションでは、割り込みレイテンシは一部の汎用プロセッサよりも重要になります。

• Hwang, Enoch (2006). VHDLによるデジタルロジックとマイクロプロセッサ設計. Thomson. ISBN 0-534-46593-5。
• プロセッサ設計：入門