ハードウェアの基礎｜性能を一つの数字で決めない

この分野で身に付けること

• 周波数と周期の逆数関係を、単位を添えて説明できる。
• 実行時間を命令数、CPI、クロック周期に分けて考えられる。
• キャッシュの役割とヒット率が待ち時間へ与える影響を説明できる。

1. CPUの速さは、仕事量と一周期の長さで決まる

クロック周波数は1秒間の周期数、クロック周期は1周期にかかる時間です。周波数が高いほど周期は短くなりますが、同じ処理でも一命令あたりに必要な周期数が異なれば、実行時間は変わります。周波数だけでCPU全体の性能を比較しない理由がここにあります。

単純化した計算では、実行時間を「命令数 × CPI × クロック周期」として求めます。CPIは一命令あたりの平均クロック数です。式に数字を入れる前に、命令数、周期数、秒という単位が順に掛かることを確認すると、秒へ到達する理由が見えます。

2. キャッシュは、よく使うデータへの近道になる

CPUと主記憶では速度に差があるため、キャッシュはCPUに近い場所で頻繁に使うデータや命令を保持します。キャッシュで見つかることをヒット、主記憶まで取りに行くことをミスと呼びます。ヒット率が上がれば、平均的な待ち時間を短くできる可能性があります。

ただし、ヒット率だけで実行時間がそのまま決まるわけではありません。ヒット時とミス時の時間、アクセス回数、書込み方式などの条件もあります。問題では、平均時間を求めるのか、キャッシュの一般的な役割を問うのかを最初に分けます。

3. 単位をそろえると、桁の誤りを防げる

GHz、MHz、ns、msなどは、大きさの違う単位です。周波数を周期へ直すときは逆数を取り、接頭語の10の何乗も一緒に扱います。途中の値に単位を書き続ければ、周波数をそのまま時間として足すような誤りに気付きやすくなります。

性能比較では、処理する命令数が異なるプログラムを単純に周波数だけで比べません。同じ作業をするときの実行時間、あるいは問題文が指定する指標で比較します。求める値を最後に一文で言い直すと、分子と分母の取り違えを防げます。

用語・考え方の比較

例：周波数からクロック周期を求める

クロック周波数が2.5 GHzのCPUで、1周期にかかる時間を求めます。

1. 2.5 GHz = 2.5 × 10^9 周期/秒と表す。
2. 周期は周波数の逆数なので、1 ÷ (2.5 × 10^9) 秒。
3. 結果は0.4 × 10^-9秒、つまり0.4 nsとなる。

ここで確認：周波数と周期は掛けるのではなく逆数の関係だと分かれば、単位で検算できます。

確認してから、演習へ進む

間違えやすいポイント

• 高クロックなら必ず全ての処理が速い、と断定しない。
• GHzをそのまま秒として扱わない。
• キャッシュを大容量の補助記憶装置と混同しない。

自分で確かめる三つの手順

1. 周波数、周期、CPIを見たら、それぞれの単位を書く。
2. 実行時間の式に、命令数・CPI・周期を順番に入れる。
3. キャッシュのヒットとミスで、どこまで取りに行くかを図にする。