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    CPUから見た解析機関

    結果としてノイマン型で先に完成したのは、EDSAC(1949年)やManchester Mark Iの試作機 Baby (1948年)である。EDVACは先に設計が始まっているが、設計者間のごたごたがあって完成が遅れた。また、アイデアレベルではZuse Z3を1941年に開発しているコンラッド・ツーゼもそれ以前にプログラム内蔵方式(書き換えでない点に注意)を考案していた(1936年に特許申請しているが、アメリカに出願した際にチャールズ・バベッジの解析機関との類似を指摘され、特許は成立していない。ツーゼはこのときまでバベッジの業績を知らなかったと思われる。なおZ3は1998年にチューリング完全であったことが示されている)。データとプログラムを同じ記憶装置に格納するかどうかという点が異なる方式として、ハーバード・アーキテクチャがある。これはEDVAC以前に完成したHarvard Mark Iに由来する。同機ではさん孔テープにプログラムを格納した。ノイマン型とハーバード型の大きな違いは、後者が命令とデータの格納場所と扱いを完全に分離していることであり、前者はどちらも同じ記憶領域に格納する。汎用CPUは基本的にノイマン型であるが、ハーバード・アーキテクチャも部分的に採用されている(キャッシュメモリなど)。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見た二進数

    21世紀現在のコンピュータはすべて2進数によって演算しており、1ビットが2進数の1桁を意味している。CPUが内部演算回路やデータパスで扱うビット数を「ビット幅」あるいは「データパス幅」と呼んで、4、8、16、32、64ビットと4種ほどある幅の違いからCPUの性能や使用分野が大別される。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見た継電器

    デジタル機器としてのCPUは、状態を変更したり表現したりするために、何らかのスイッチを必要とする。電気機械式から電子式への移行期には、リレーや真空管がスイッチとして使われた。これらは、従来の完全な機械式よりも高速にスイッチを切り替えられたが、チャタリングをはじめ、コイル(インダクタ)によって発生する高電圧などの問題があった。一方、真空管はチャタリングは起こさないが、機能するには熱が必要であり、劣化により動作中にカソードの電子放射能力が減退(エミッション減退)して動作不能になってしまう。真空管が劣化・故障したら、故障した部位を特定して交換しなければならない。したがって、初期の電子計算機は高速化は実現したものの、電気機械式計算機よりも信頼性が低かった。EDVACのような真空管計算機は故障と故障の間の平均時間(MTBF = Mean Time Between Failure)は約 8 時間であったが、Harvard Mark Iのようなリレー式計算機はほとんど故障しなかった。しかし、信頼性よりも性能が重視され、真空管式計算機が主流となっていった。当時の同期式CPUのクロック周波数は現在のCPUに比較すると非常に遅く、100kHz?4MHz程度であった。これは、当時の論理素子(真空管)のスイッチング速度によって限界が定められていたのである。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見た実行ユニット

    1990年代以降は4ビットから64ビットまで多様なビット幅のCPUが製品化されている。高ビット幅のCPUは機能や性能が高い反面、高集積化や回路の複雑度から高価格で消費電力も大きく、低ビット幅のCPUは機能や性能が制限される代わりに安価で低消費電力であるなど特徴があり、状況に応じて使い分けられている。また、21世紀初頭現在では、VLIWの登場によってそれまでの命令語長と内部演算幅の関係が変わり、1つのCPUコア内に複数の実行ユニットを持つものでも1つの演算器のビット幅で表現される。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見たオフィススイート

    2012年現在、市販されているPCは64ビットCPUがほとんどであるが、ネットアクセスやオフィススイートなどの用途では64ビットアプリケーションにしてもパフォーマンスはそれほど向上せず、PC上での多くのアプリケーションソフトウェアがいまだに32ビット製品のままである。ただし、巨大な画像処理や動画編集など大量のデータを処理する用途では巨大なメモリを割り当てることができる64ビットアプリケーションのメリットは大きく、これらの応用ソフトウェアの64ビット化が進んでいる。サーバでは大きな主記憶容量が求められたため、1990年代からCPUとOSの64ビット化が進められたが、2010年代には事務や家庭で使われる普通のPCでも4GB以上のRAMを使用できる64ビットのOSが普及しつつある。オフィススイート、例えばMicrosoft Officeにも64ビット版が用意されているが、このような用途には64ビットのメリットが少ないうえ32ビット版のアドオンが使用できなくなるため、普及は進んでいない。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見たディスプレイ (コンピュータ)

    CPUは記憶装置上にあるプログラムと呼ばれる命令列を順に読み込んで解釈・実行することで情報の加工を行う。CPUはコンピュータ内での演算を行なう中心であり、CPUは通常はバスと呼ばれる信号線を介して主記憶装置や入出力回路に接続され、何段階かの入出力回路を介して補助記憶装置や表示装置、通信装置などの周辺機器が接続され、データやプログラムなど情報のやりとりを行う。人間に例えると脳に相当する部分である。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見たデジタル

    デジタル機器としてのCPUは、状態を変更したり表現したりするために、何らかのスイッチを必要とする。電気機械式から電子式への移行期には、リレーや真空管がスイッチとして使われた。これらは、従来の完全な機械式よりも高速にスイッチを切り替えられたが、チャタリングをはじめ、コイル(インダクタ)によって発生する高電圧などの問題があった。一方、真空管はチャタリングは起こさないが、機能するには熱が必要であり、劣化により動作中にカソードの電子放射能力が減退(エミッション減退)して動作不能になってしまう。真空管が劣化・故障したら、故障した部位を特定して交換しなければならない。したがって、初期の電子計算機は高速化は実現したものの、電気機械式計算機よりも信頼性が低かった。EDVACのような真空管計算機は故障と故障の間の平均時間(MTBF = Mean Time Between Failure)は約 8 時間であったが、Harvard Mark Iのようなリレー式計算機はほとんど故障しなかった。しかし、信頼性よりも性能が重視され、真空管式計算機が主流となっていった。当時の同期式CPUのクロック周波数は現在のCPUに比較すると非常に遅く、100kHz?4MHz程度であった。これは、当時の論理素子(真空管)のスイッチング速度によって限界が定められていたのである。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見たLilith

    上記の分類に当てはまらないものとして、過去には、互いに結合し自由にビット長を増やす事ができる方式のCPUがあり、これはビットスライスプロセッサと呼ばれた。代表的な製品にAMDのAM2900シリーズなどが挙げられる。AM2901は、スイス連邦工科大学のLilithワークステーション等に使用されていた。またデータをバイト単位で扱うCPU(バイトマシン)の他、ワード単位で扱うCPU(ワードマシン)もある(日本電気のACOS-6など)。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見たレジスタ (コンピュータ)

    CPUは、全体を制御する制御装置、演算装置、データを一時記憶するレジスタ、メモリなどの記憶装置とのインタフェース、周辺機器との入出力装置とのインタフェース、などから構成される。CPU フレッシュアイペディアより)

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    CPUから見たエレクトロマイグレーション

    ムーアの法則は未だに現実でのコンピュータの性能に近似し続けているが、従来型コンピュータの処理性能の向上余地に限界が近づきつつあることが懸念されている。これまで同様に電子回路を縮小し続けてきたが、光学的な手法で電子回路を焼き付けるには紫外線からやがてはX線に移行する必要があり、この光学的問題以前に、すでに21世紀に入ってからの市販製品でも量子論的効果が現れはじめており、エレクトロマイグレーションやリーク電流のような問題が大きくなっているためである。さらなる高性能化のために、並列コンピューティングなどの手法によるノイマン型での高性能化、ジョセフソンコンピュータなど量子技術の採用、非ノイマン型化、この半世紀のコンピュータを支えた電子技術から、新たな物理現象に途を求める光コンピューティング、量子コンピュータや分子コンピュータのような新たな原理に基づくコンピュータ、などが研究されている。CPU フレッシュアイペディアより)

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「CPU」のニューストピックワード

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  • 山菅(やますげ)の蛇橋(じゃばし)