マルチコアCPUのクロック周波数や消費電力について

現在はシングルコアのCPUは少なくなりました。シングルコアの場合ですと、表示されていたクロック周波数=そのCPU全体のクロック周波数と見てよかったと思うんですが、マルチコアにおけるクロック周波数の表示はどうなんでしょうか？
例えば、Core i7-3960Xは6コアCPUで、3.3Gh'z駆動ですが、6コア合わせて3.3Gh'z駆動なのか、それとも6コア全てが3.3Gh'z駆動であるのかがわかりません。このCPUにはTurbo Boost機能がありますが、今はないものであるとして考えます。
仮に、6コア全てが3.3Gh'z駆動であるとすれば、単純に、3.3Gh'z駆動のCPUが6つある物、もしくは3.3Gh'z x 6 = 19.8Gh'z?と考えていいのでしょうか？

また、消費電力の話になりますが、なぜシングルコアCPUよりマルチコアCPUの方が消費電力が下がるのでしょうか？ Pentium 4の頃は爆熱等といわれていましたが、Core DuoやCore 2になってからはそういったことは聞きません。イメージとしてはシングルコアよりマルチコアの方が電力が食いそうなのですが・・・。

初心者なもので、あまり理解をしていません。解説してくださる方、もしくはわかりやすいサイト等がありましたら、是非お願いします。

No.7 回答者： parts 回答日時： 2012/05/30 21:35

急いで書いていると、ダメですね。

もう一度分かりやすく書きます。

Ｑ／マルチコアにおけるクロック周波数の表示はどうなんでしょうか？、6コア全てが3.3Gh'z駆動であるとすれば、単純に、3.3GHz駆動のCPUが6つある物、19.8GHzと考えていいのでしょうか？

Ａ／周波数の表示としては、3.3GHzです。後は、コアの数が6個として表示されます。6個あるから、6倍した周波数の性能になるわけではありません。その理由は、先に回答したとおりですが、計算の結果を基に、反復する仕事であれば、別のコアに誤って後の命令を送り込むと、命令がクラッシュするためです。

これらは、プロセッサ内にある調停器と呼ばれる分岐予測装置や、OSによって振り分けられています。即ち、複数のプロセッサに対応していないソフトウェアでは、周波数相応の性能向上能力＋命令セットやコア辺りの同時命令実行性能による差しか出てきません。


Ｑ／消費電力の話になりますが、なぜシングルコアCPUよりマルチコアCPUの方が消費電力が下がるのでしょうか？

Ａ／まず、CPUは徐々に微細化しています。現在の最先端CPU（Ivy Bridge）は22nm（ナノメートル/1なのは10億分の1mm）の線幅（ゲート長）です。これは、物質の構成要素である原子数個分という凄まじく小さなもので、そこに電気信号を流し、情報を演算しているのです。
問題は、その回路は、22nmの幅で、複雑に並んでおり、その隣にも、22nmの回路があるということになります。

即ち、微細化によって回路と回路の間が干渉する可能性が、高まっており、もし回路と回路の間で電気の漏れが起きれば、大きな発熱や、情報演算速度の低下、失敗に繋がるのです。そのため、現在のプロセッサでは、シリコンの加工に工夫を加える歪みシリコン技術、高抵抗値のメタルゲート技術（High-K）、Tri-Gate（3次元ゲートトランジスタ技術）などが使われています。

さて、少し昔話ですが、
ある時点まで、厳密には90nmプロセスがスタートする前、即ち130nm（0．13μm）までは、プロセッサはゲート長を微細化するだけで、電圧が下がり、クロック周波数を簡単に引き上げることができました。それは、微細化によって回路幅が狭くなり、流れる電流量を抑えることが出来たためです。

その昔Pentium4で発熱が問題になったことがありました。この発熱問題は、深刻でTejs（テハス）と呼ばれる開発コードを持ったプロセッサ技術の開発キャンセルに繋がりました。このプロセッサは、5GHz以上～10GHz程度までで稼働する予定でした。

何故中止になったのかというと、Prescottと呼ばれるPentium４でその90nmの問題が生じたためです。この頃のインテルは、より高いクロックを目指して性能を引き上げ、さらなる微細化技術で、電圧を下げ電力を抑えようという方針でした。しかし、本来90nmで投入すべきだった、Low-kメタルゲートの投入を見送ったことと、予想以上に高周波数で信服させた際にドレーン（スイッチ回路）の隙間から、無駄に熱として排出される電力が多かったことから、この方法では、パソコンの筐体に入れても空冷や水冷では、温度の上昇を抑えられないことが判明し、Tejsではキャンセルされたのです。

ここで重要なのは、高クロックで電気が漏れやすいと言うことです。
簡単に言えば、エアコンの効いた部屋で短時間で部屋の扉を何度も開けば、扉を開けたときの空気の流れなどから、部屋の空気が必要以上に漏れていきます。それと同じで、ゲートの開け閉めが多いと、凄まじい量の電気が熱として放出されるのです。しかも、絶縁ゲートが薄いため、これまでのプロセッサでは周波数が上がっても緩やかに上昇していた発熱や電力が、一定を超えたときには、劇的に増えるという欠点が生じたのです。

そこで、スイッチを行う装置と性能のバランスが妥当なラインを、2～4GHzに固定したのが、今現在です。

ただ、微細化技術は現在も継続しており、ムーアの法則と呼ばれるルールでは、18ヶ月から24ヶ月にトランジスタ数は2倍（即ちほぼ性能2倍）になる法則が生きています。ただ、機能を単純に増やしてもそれだけのインパクトはありませんので、プロセッサコア数を増やしクロックを同じところで、ホールドをする方法を選びました。
その代わり「ソフトウェアの対応が必要です。」としたのです。

さらに、現在はプロセッサコアを増やし続けても、ソフトの対応は頭打ちになる物が増えたため、これまでプロセッサに内蔵していなかった、メモリコントローラやグラフィックスを内包し、さらに最近はダイ密度があがり、局所的に温度が危険域に達する懸念があった部分の熱を、それらの低クロックプロセッサ（コプロセッサ）の組み合わせで補う仕組みまで取り入れています。

それが現在です。
まあ、自動車などを運転する人なら分かりますが、あまり高回転のエンジン出力で運転すると、燃費は落ちます。これは、出力が一定を超えると、大半が熱として消えてしまうためです。人も同じで、毎日歩いてなら、たぶん結構歩けるが、全速力で走ると、途端に息があがり、そんなに走れないはずです。それは、その目的に最適な設計がされているからなのです。

CPUも同じで、まあ特殊なサーバールームなら、6GHzの製品もありますし、それ以上も液体窒素を使えば出来るでしょう。しかし、それが一般には非効率で電力を食うようになったから、コア数で稼ぐようになったのです。そして、現在はコア数もサーバやエンスージアスト向け、パフォーマンス重視でなければ、2～4コア＋グラフィックスなどで頭打ちとなっています。

No.6 回答者： roki_papa 回答日時： 2012/05/29 23:08

こんばんわ

マルチコアのCPUの話ですね

i7-3960XのCPUクロックは3.3GHZです6コアすべてが
このクロックで動作するのですが
駆動に関しては負荷がかかる段階でターボブーストが動作するので
動作速度が上がります
（全てのコアが上がる場合と数コアが上がる場合があるようです）

次に消費電力なのですが
同じ容積にコアがいくつもあることを想定してください
シングルコアの電気はコア内で流れますがこの接続線の太さが太いので
電気がたくさん流れるわけです（詰まってるわけです）

同じ体積に入れるのですからコアが４個あったと仮定します
４個を離さなければならないので空間がかならず空きますそれと
各コアに接続する線も細くなります
おのずと結果は解ると思うのですが
線が細くなると電気が流れにくくなります
しかし４個もコアがあるので処理は1/4で済みます
この時間が短くなるのですから電気を使う時間も少なくなるわけです

もっとかみ砕いてすると
水道のパイプが太いと多く水が流れます（シングルコア）
配管を細くして（1/3程度）４配管し同じところに注ぎます（マルチコア）
当然時間が短くなりますね

この原理なのです

おわかりいただけたでしょうか

No.5 回答者： sakusa001 回答日時： 2012/05/29 14:39

因みにですが

電気ってのは働いた分の決まった量発熱すると考えると分かりやすいかも知れません。

数倍のクロックを内包しているとなると総延長が短くても発熱は倍加する訳なので
素材工学に劇的な変化が生まれてない限りちょっとの差で済まない差になると言うことです。

要は発熱は言わば高さが存在するのでそこは変えられないという事です。

実際に発熱する分-冷却材-空気との熱変換であると言うことです。
cpuには安全圏と言うものが有るので

実際に発熱する分-冷却材
この段階での熱の状態は100度以下で
シンクで熱交換する限界が有りますので30%上がるならまだしも600%上がるとなると
熱量の交換から考えて無理で

cpuのヒートスプレッダーとcpu間の熱交換量の大幅な増大が無いと推測されるので
この点から考えて論理的に中身はクロック*コア数では無く　1cpuが駆動しているクロック数だと推論が立つ訳です。

まぁ悪魔でそんな感じってだけで詳しくはもっと違いますが。




そんなに熱くないから違うと思うって位の話です。
悪魔で当面のお話でね。

No.4 回答者： sakusa001 回答日時： 2012/05/29 10:47

単純なイメージでお話します。

まずcpuには物理的大きさが有ります

街で例えると同じ内容で大昔は　東京都位大きかった訳ですそれが区の大きさになりやがて一つの駅の街程度になった訳です。
一歩歩くごとにお金がかかると思って下さい。
そのお金がまず処理時間や発熱だと思えば簡単にイメージが沸くかと思います。


以前は区の中に商店街がばらばらに一つしかなかったけど
そして現在は区の中に整備された上に同じ街が4つなり存在している訳です。

そうです機能は同じですが4倍敷地が狭いはずなのに同じ機能以上なのですよ。
イメージとしては交通手段使って買い物をする必要が無く徒歩でも買い物が出来るようになった生活な訳です。
cpuとしてまずこの敷地問題が一番大きな問題だというのがまず大前提。

「シングルコアよりもマルチコアの世代が大きい物は要するに敷地が狭いので移動コストがかからず負担が減った」
という事です。


次にp4と言う物なのですが何故爆熱かと言う事。
これも敷地問題に近い話だと思って下さい。
cpuは敷地内で買い物をするのに地図があると目的に達しやすいので地図を作ろうとします
大体買うものによって地図はもって居るのですが大体は材料しか知らない訳です
しかし頼まれる時は材料では無く「カレー」とか「組立椅子」だったり完成品を要求される訳です。

そこでP4はじゃあ行くルートを「今日の晩・・・・」とまで聞いたら家から出る訳ですよ
で出先から「玉ねぎ買ってじゃがいも　カレールーを買いました」と言うわけですよ。
「今日の晩は人が来るから椅子が必要なんです」
つまり全部パーな訳です。
それがパイプライン予測と言うものですそれが極端に深いのがp4

つまり買い物するかもと思ったら勝手に買ってくるんですが予想が外れたら一からやり直しのくり返しという事。
当然又行くので敷地内でのコストが当然かかるので熱くなるという事。

そしてこのお買い物MAPと言うものはキャッシュと言う概念にも繋がります。
一旦行ったことが有る場所はメモでmapを持っています
見やすいmapなのでかなり融通が効くmapだと思っていいです。
それが昔は10枚だったのが現在は100枚持っているわけです。

同世代間でもこのメモ帳の概念はかなり強く出ます多少の差をこのメモ帳が埋めたりひっくり返したりします
逆にメモ帳が薄いと覚えが悪いので「買い物が下手=仕事が遅い=出歩く数が多くなる=熱くなる」とも言えます


マルチコアやスレッドに関してはもう少し複雑なのと世代によっても複雑です。
6個コア有っても常時6つでは有りませんし
仕事の分担もします。
クロックは総力で有って単騎のパワーでは無いです。

街の国力みたいもんだと思って下さい。


こんな感じで考えるとマルチコアの方が電力もかからず発熱が低いという事が分かると思います。

東京都一つの機能を一つの区が6つ持っているという事です。
まぁイメージ的にはですけどね。

No.3 回答者： PeachMan 回答日時： 2012/05/29 07:36

例にならってi7-3960Xで説明しますが、コアひとつが3.3GHz駆動であって、それが6個ある状態です。

基本的にひとつのプロセスあたり1つのコア（ハイパースレッド機能はないものとします。）しか割り当てられませんから、周波数が6倍になるようなことはありません。
マルチスレッド処理に対応しているハイパーパイという計算ソフトの実行中は、6コア12スレッドすべての使用率が100％になりますが、これは単純に1コア2スレッドのものより6倍の速度で計算が終了すると考えてください。

Core i7は初代のBloomfieldのときから実行中のコア以外のCPUコアをOFFにするようになり、またEIST（Enhanced Intel SpeedStep Technology）の機能とC1Eのレベル調整によってアイドル中および低負荷状態時にはクロックダウンしており、自動で電圧調整なども行われて強力な省電力機能が働きます。

私が使っているのはまさに初代のCore i7-920（定格2.66GHz～最大2.93GHz）なんですけど、アイドリング中およびWEB閲覧中の動作クロックは1.6GHz（133.7MHz×12倍）に落ち着いています。
マザーボードの省電力化ツールをあわせて使うことでさらに有効電源フェーズ数を調整するなどして落とせます。

AMDもインテルもCPUの世代が新しくなるにつれて製造プロセスの微細化が進んできましたが、製造プロセスとはCPU内部の配線の細さをあらわしていて、省電力性能の向上と低発熱化を実現しています。

Pentium4/PentiumD：90/65ナノプロセス
Core2シリーズ：65/45ナノ
ネハレム版Coreシリーズ：45/32ナノ
サンディブリッジ版Coreシリーズ：32ナノ
アイビィブリッジ版Coreシリーズ：22ナノ

仕事量のわりには発熱量の高かったペンティアム4やペンティアムD以降は劇的に静かになりましたね。
ペンティアム4搭載機は起動した瞬間からヘアドライヤーのような轟音があたりまえでしたけど、ウチのCore i7-920のCPUファンは800回転以上回ったことがありません。
KABUTOクーラーに交換していますけど、真夏のピークが52度でした。
たとえ標準クーラーでも熱が原因でシャットダウンするような心配はありません。

No.2 回答者： parts 回答日時： 2012/05/29 07:27

基本的に、クロック周波数＝性能というのはずいぶん昔（もうかれこれ10年近く前まで）の話ですが・・・。

プロセッサの性能を決めるのは、IPC（CPI）と呼ばれるものです。
Instructions Per Clock（クロック当たりの命令実行数）のことで、これがクロック当たりの性能を決め、そのクロック当たりの性能から、例えば1クロックで3回処理ができるものなら、3GHzで90億回の演算ができます。しかし、4GHzでも1クロックあたり2回しかできないなら80億回の演算となります。

それが、IPCの考え方であり、クロック＝性能ではないというルールになります。まあ、全く同じプロセッサなら、IPCは考えずクロック周波数が高いほど性能は高くなりますが・・・。

本題です。
Ｑ／マルチコアにおけるクロック周波数の表示はどうなんでしょうか？

Ａ／周波数は、コアの周波数です。そのままですから、3GHzと書かれていれば、全てのALUが3GHzで動作します。ただし、グラフィックスコアなどコプロセッサについては、必ずしも3GHzで動作するとは限りません。

Ｑ／仮に、6コア全てが3.3Gh'z駆動であるとすれば、単純に、3.3Gh'z駆動のCPUが6つある物、もしくは3.3Gh'z x 6 = 19.8Gh'z?と考えていいのでしょうか？

Ａ／何故？はっきり言えば、全ては独立したクロックジェネレータを登載していますから、若干の誤差があります。パフォーマンス面では、19.8GHzと同等で動作するわけではありません。
単に、クロックが同期するプロセッサなら、定格クロックが全て3.3GHzであるということです。

それを全て足して19.8GHz相当の性能が発揮できるかどうかは、CPUやソフトウェアの設計に関わりますので、そのような考えでは見ない方が良いです。

パフォーマンスをそれ相当にするには、ソフトウェアが6コアに最適に設計されていなければなりません。何故か？例えば、算数で計算をするときに、20個みかんがあり、Aさんが3個、その後Bさんが２個
Cさんが、4個食べました。残りは何個という問題があるとします。
6つのコアで同時に処理をすると、２０－３＝Aの結果、Aの結果ー２＝Bの結果、Bの結果ー４＝答えとなります。これらを別々に同時処理させると、２つはクラッシュし、ステージを戻されてしまいます。

そういう計算がソフトウェアには沢山ありますから、並列して計算してもよい、投機的な演算を沢山ソフトが用意していないと、沢山のプロセッサでは処理できないのです。そのため、6倍の性能を発揮するものもあれば、そうでないものもあります。複数のプロセッサに最適化した物をマルチスレッド対応（またはマルチタスク対応）ソフトと呼び、その反対に１つのプロセッサに最適化した物をシングルスレッド対応ソフトと呼びます。
通常は、マルチコア対応ソフトは、コア数に応じてロードバランスを最適化する必要があります。

Ｑ／なぜシングルコアCPUよりマルチコアCPUの方が消費電力が下がるのでしょうか？

Ａ／単純にクロック周波数を上げると駆動系から漏れる熱が増えるためです。その昔、性能の向上にクロックの向上手法を採っても消費電力が上がらなかったのは、半導体技術の飛躍によって漏れ電流を抑える技術が有効に働いていたためです。

しかし、半導体の技術が成熟し、回路密度が濃くなると、半導体の回路と回路の間から漏れる電気が増えてきます。スイッチング速度が上がる（即ちクロックが向上する）と、その漏れがある時点で大幅に増えて熱に変化することがあります。温度としては、小さな原子炉とも言われるほどCPUが熱くなるのです。
そこで、プロセッサの周波数は上げずに性能を引き上げる手法として、マルチコアが使われるようになりました。
マルチコアでは、先に述べたように性能を引き上げるのに、ソフトウェアの対応が不可欠ですが、そもそもクロックをのばす方法は、今後期待できないため、これ以外に方法がなく、これが今の主流になったのです。

また、コアを増やす以外にもCPU以外が行っていた各種機能をCPUに統合することで、性能を引き上げるヘテロジニアス（異種混合）コアの開発も、行われています。
これは、性能向上の次のステージで、さらにCPUの密度が上がれば、やはり発熱の問題が再び出てくるようになります。そこで、他の目的のコプロセッサや別の動作クロックで動くプロセッサを、回路の一部に加えることで、熱密度の低いエリアを部分的に作り、熱破損を防ぐ方式が採られたのです。

結果的に、現在はCPUにグラフィックスを統合する製品も出回っています。

といったことでしょうか？まあ、簡単にはこんな形です。
ちょっと、時間がないので、今日はこれぐらいです。

No.1 回答者： vaidurya 回答日時： 2012/05/29 07:20

発熱の問題は、すべては技術革新と言うしかありません。

たぶん。
たとえばプロセスルールの微細化は、常に集積回路を小さくし、電力消費を小さくしてきました。

あるいはそのままの大きさで、大幅な性能向上を実現してきました。


マルチコアCPUの動作クロック周波数は、普通にシステムツールの類で
個別に動作周波数を知ることができるはずだと思っています。
Windowsの場合は知りませんが、たとえばLinuxとかだと
負荷を表示するツールにそういう機能が付いている場合もありますが、コマンドでも知ることができます。

$ cat /proc/cpuinfo |grep MHz
cpu MHz : 1600.000
cpu MHz : 1600.000
cpu MHz : 1600.000
cpu MHz : 1600.000

HD動画一つ再生しながら、仮想PCのXubuntuのアップグレードをやっているのに
CPUは省電力で低クロックのままになっているようです(笑)


なお、性能については、そのまま足し算掛け算で計算できるほど単純な話ではありません。

実際には、使うOSやアプリケーション、その他のソフトウェアなどの兼ね合いで決まり…
計算で、性能予測をすることは、非常に難しいと考えられます。


シングルコアからの買い替え時の性能予測なら、大雑把な話ですが
最高動作周波数が同程度ならば、Pentium4よりCore2Duoのほうが快適です。
多少Pentium4のほうが高クロックだったとしても、Core2Duoを上回ることは少ないはずです。

これは、つまりOS自体の処理、アプリケーションという二つの作業を
デュアルコアが分担して処理できるからです。
ウィルスチェックによる負荷が入る場合も同様です。


しかし、4コアともなると、それをフルに活かせる場面は限られますから
同じ最高動作周波数であれば、i5とi3での差が感じられないこともあるはずです。


私自身は、Core2Duoからの買い替えだったことと
仮想PCソフトを使うことがあるので、4コアのi5を選びました。
ただ、Core2Duoより快適ですが、速くなったと感じる場面は限られます。
Core2Duoでも充分快適だったからです。

これは使っているOSやアプリケーションの種類や構成によっても体感が変わると思います。
むしろ遅いのは壊れたSSDの代わりに使っているHDDです。


WindowsPCの高性能化では、HDD故障リスクを無視してRAID0が使われることがあります。
RAIDにはハードウェアによる処理を行なう拡張カードもありますが
ほとんどのM/BやSATAカードなどに付属するRAID機能は、処理をソフトウェアで行ないます。

このトレンドも、CPU性能の向上とマルチコア化が後押ししてきたものだと言えます。
複数のコアがあれば、RAID0よりも重いRAID5を使っても、処理性能に余裕があります。