CPUはどう計算するのか｜論理回路から命令サイクルまで

パソコンやスマホの頭脳「CPU」。中では一体、何が起きているのでしょう？ 実はCPUは、とても単純なことを猛烈な速さで繰り返しているだけ。そのしくみをやさしく解説します。

CPUは「命令を1つずつ実行する機械」

プログラムは、CPUへの命令の並びです。「この数とこの数を足せ」「結果をここに置け」といった単純な命令の列。CPUはそれを上から順に、1つずつ実行していきます。

論理回路：3つの基本ゲート

すべての計算は、たった数種類の論理ゲートの組み合わせでできています。

下のデモは、2つのトランジスタを直列につないだAND。両方ONのときだけ電気が通ります。

いろんなゲートも試してみましょう。入力A・Bを切り替えると、出力と真理値表がどう変わるか一目でわかります。

省エネの主役「CMOS」

現代のデジタル回路はCMOSという方式。N型とP型のMOSFETをペアで使い、切り替わる瞬間しか電気を食わないのでとても省エネです。スマホやPCが電池で長く動くのはCMOSのおかげ。下のデモで、静止時はほぼ0Wで、電圧や周波数を上げると消費電力が増える様子を体感できます。

ゲートを積み上げると頭脳になる

ゲートを組み合わせると、足し算をする回路（加算器）、記憶する回路（メモリ）、判断する回路ができます。これらをさらに集めると、CPUやGPUといった「頭脳」になります。

フェッチ・デコード・実行のサイクル

CPUの基本動作は、3ステップの繰り返しです。

メモリから命令を取り（フェッチ）、それが何の命令か解読し（デコード）、演算器で実行する。これを1秒に何十億回も繰り返します。

登場人物

なぜ速い？なぜ何コアもある？

メモリとの距離が速度を決める

命令もデータもメモリにありますが、メモリはCPUより遅い。だから間にキャッシュという速いメモリを挟んで、待ち時間を減らしています。「計算そのもの」より「データをいかに速く運ぶか」が、実は現代のCPU性能のカギです。

まとめ

• CPUは命令を1つずつ実行する機械
• フェッチ→デコード→実行のサイクルを高速で繰り返す
• レジスタ・ALU・プログラムカウンタ・メモリが連携する
• 周波数は頭打ちでマルチコア化。メモリとの距離が速度を左右

📚 もう少し詳しく（背景）気になる人向け・タップで開く▼

CPU（中央演算処理装置）は、コンピュータの"頭脳"ですが、やっていることは意外と単純の繰り返しです。命令を読む→解読する→実行する→結果を書く、という基本サイクルを、猛烈な速さで延々とこなしているだけ（フェッチ・デコード・実行）¹。1秒あたり何十億回（GHz）というクロックに合わせて、この歯車が回っています。

速さの秘訣は主に3つ——クロックを上げる、1回により多くの仕事をさせる、そして並列化（複数のコアで同時に処理する）です。かつては微細化でクロックをどんどん上げられましたが、発熱の壁でそれが頭打ちになり、今は「コアを増やす」方向が主流になりました²。

さらに、よく使うデータを手元に置くキャッシュや、命令を先読みして流れ作業のように処理するパイプラインなど、あの手この手で効率を上げています。単純な論理回路の膨大な集まりが、これほど賢く速く動くのは、こうした工夫の積み重ねの結果です。

次の一歩

演算器の中身はNANDから全加算器、記憶はフリップフロップ、速さの工夫はキャッシュのしくみへどうぞ。

Footnotes

1. CPUは「命令フェッチ→デコード→実行→書き戻し」の基本サイクルを反復する。クロック周波数はこのサイクルを刻む速さで、パイプライン化で複数命令を並行処理する。 ↩

2. 発熱と電力の壁でクロック向上が頭打ちになり、単一の高速コアから複数コアの並列処理へ移行した。そのぶんソフト側も並列に書く工夫が必要になった。 🌸 ↩