CPU PERFORMANCE

CPU性能・クロック周波数の計算方法

クロック周波数・クロック周期・CPI・CPU実行時間の関係を、順番に整理します。

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クロック周波数とは？

CPUが1秒間に何回クロックを刻むかを表します。1 GHz は 10億 Hz、つまり1秒間に10億回です。

クロック周期は、1クロックにかかる時間です。

クロック周期 = 1 ÷ クロック周波数

たとえば2 GHzなら、

1 ÷ 2 GHz = 0.5 ns

実行時間 = 必要クロック数 ÷ クロック周波数

200万クロックを2 GHzで実行する場合、

2,000,000 ÷ 2,000,000,000 = 0.001 秒 = 1 ms

CPIは Cycles Per Instruction の略で、1命令を実行するのに平均何クロック必要かを表します。

総クロック数 = 命令数 × CPI

CPU時間 = 命令数 × CPI ÷ クロック周波数

100万命令、CPI=2、2 GHzなら、

1,000,000 × 2 ÷ 2,000,000,000 = 0.001 秒 = 1 ms

クロック周波数 = クロック数 ÷ 実行時間

単位に注意：
1 GHz = 10^9 Hz
1 MHz = 10^6 Hz
1 ms = 10^-3 秒
1 ns = 10^-9 秒

CPUの性能問題では、クロック周波数・クロック周期・命令数・CPIの関係を整理します。クロック周期は周波数の逆数です。

命令数100万、平均CPI=2、クロック周波数1GHzの場合
必要クロック数 = 1,000,000 × 2 = 2,000,000
実行時間 = 2,000,000 ÷ 1,000,000,000 = 0.002秒 = 2ms

1GHzは1秒間に10⁹クロックです。周期は1/10⁹秒=1nsです。MHz・GHzとms・μs・nsの単位変換をセットで確認しましょう。

周波数が高いほど周期も大きい、と考えない
周波数と周期は逆数の関係です。また、周波数だけでCPU全体の性能が必ず決まるわけではなく、問題ではCPIや命令数も確認します。

式へ代入する前に単位をHzと秒へそろえると、10の累乗のミスを減らせます。

クロック周波数は、CPUが動作の基準として使うクロックが1秒間に何回発生するかを表します。Hzで表し、1GHzは10⁹Hzです。

クロック周期はクロック周波数の逆数です。1GHzなら1÷10⁹秒なので、1クロックの周期は1nsです。

CPI（Cycles Per Instruction）は、1命令を実行するために平均何クロック必要かを表す値です。命令数とCPIを掛けると、必要な総クロック数を求められます。

命令数100万、平均CPI=2、1GHzの場合
総クロック数=1,000,000×2=2,000,000
実行時間=2,000,000÷1,000,000,000=0.002秒=2ms

試験問題ではクロック周波数だけでなく、命令数やCPIなどの条件も確認します。周波数だけを見て実行時間を判断しないことが重要です。

理解したら10問練習
クロック周期・実行時間・CPI・必要周波数をランダムに練習できます。