マイクロプロセッサ【microprocessor】 MPU / Micro-Processing Unit / 超小型演算装置

概要

マイクロプロセッサ（microprocessor）とは、コンピュータにおける演算や制御などの機能を一枚の半導体チップに集積したもの。コンピュータの心臓部であるCPU(中央処理装置)として用いられることが多い。

マイクロプロセッサはメインメモリ（主記憶装置/RAM）などに記録されたコンピュータプログラムを一命令ずつ読み込み、その指示に従ってデータの演算や装置間の転送、他の装置の動作の制御を行う。

機種ごとに実行可能な命令のコード体系が決まっており、これを「命令セットアーキテクチャ」（ISA：Instruction Set Architecture）あるいは単に命令セットという。一方、命令を実行するための内部の具体的な回路構成などの設計を「マイクロアーキテクチャ」（microarchitecture）という。

命令セットが同じであれば同じプログラムを実行することができるが、マイクロアーキテクチャ次第で命令の実行速度や消費電力などは異なる。新しい製品ほど効率的に命令を実行することができる。

同じメーカーの同じ系列の製品（プロセッサファミリー）は同じ命令セットを共有しており過去の製品とのソフトウェアの互換性を保っているが、世代が下るごとに命令セットの拡張とマイクロアーキテクチャの刷新を行って機能や性能を改善していく。

一般的なマイクロプロセッサの内部は、命令の解釈や他の回路への動作の指示などを行う制御ユニット、論理演算や算術演算を行う演算ユニット（ALU：Arithmetic and Logic Unit）、データの一時的な記憶を行うレジスタ、外部との通信を行うインターフェース回路などで構成される。

レジスタとメインメモリ（RAM）にはあまりにも大きな速度差、容量差があるため、両者の中間の速度・容量のキャッシュメモリが内蔵されることが多い。画像処理などのために特定の種類の演算処理を高速化する並列演算（SIMD）ユニットなどを搭載する製品もある。

かつてはチップセットや単体の制御回路、拡張カードなどの形で実装されてきたメモリコントローラやI/O コントローラ、ビデオチップ（GPU）などの機能も、近年ではマイクロプロセッサの一部として吸収されるようになりつつある。コンピュータに必要な機能を一通り内部に統合したプロセッサ製品は「SoC」（System-on-a-Chip）と呼ばれる。

マイクロプロセッサの基本的な設計方針をCISC（Complex Instruction Set Computer）方式とRISC（Reduced Instruction Set Computer）方式に分類する考え方がある。

CISC方式では、単純なものから複雑で高度なものまで様々な種類の命令を用意して、なるべく多くの処理を一つの命令で実行できるようにすることで能力の向上をはかっている。マイクロプロセッサ発明の当初から主流の設計方針である。

一方、CISC方式の限界を乗り越えるべく考案されたのがRISC方式で、命令の種類を絞り、ひとつひとつの命令を単純化して命令長や実行クロック数などをなるべく均等に揃えている。これにより、複数の命令を効率よく同時実行できるようにして性能の向上をはかっている。

時代が下るにつれて、CISC型の製品もRISC型の製品も互いの長所を取り込む形で発展を続けているため、このような区分は実質的な意味を失いつつあるとする指摘もある。

プロセッサが一度の動作で演算・転送できるデータ量は決まっており、初期の製品は4ビットだったが、8ビット、16ビット、32ビットと技術の進展に伴って拡張され、現在は64ビットの製品が主流となっている。

また、プロセッサ内部の回路はクロック信号と呼ばれる規則的な信号に従ってタイミングを合わせて動作している。この信号が単位時間（1秒）あたりに発振される回数をクロック周波数あるいは動作周波数という。

この周波数が高いほど高速に動作し、現代の製品ではGHz（ギガヘルツ：毎秒10億回）の単位で表されるものが一般的となっている。

一台のコンピュータに複数のプロセッサを搭載して並列に動作させる構成を「マルチプロセッサ」（multiprocessor）という。高性能な業務用コンピュータなどで採用される。

一方、単体のプロセッサとして独立して動作する「プロセッサコア」と呼ばれる回路群を一枚のプロセッサチップの内部に複数格納し、一枚であたかも複数のプロセッサがあるように動作するものを「マルチコアプロセッサ」（multi-core processor）という。近年では一般的なパソコンやスマートフォン向けの製品でも2コアや4コアなどの構成がよく見られる。