クロック周波数とは?：コンピュータの心拍数🩺

半導体Times

2024年8月4日 17:18

クロック周波数とは、コンピュータの主要装置間の情報を同期させるために使用される、一定の周期で生成される一連のパルスを指します。

これらのパルスは、コンピュータが正確なタイミングでタスクを実行し、システムを安定的に動作させるために不可欠です。クロック周波数は、1秒間に発生するパルスの数を示すヘルツ（Hz）で測定されます。

この記事では、クロック周波数について詳しく説明しますので、是非最後まで勉強して行ってください💡

コンピュータの基本概念とクロック周波数

クロック周波数を理解するために、コンピュータを構成する5大装置について簡単に説明しておきましょう。コンピュータには以下の5つの装置が搭載されており、これを5大装置と呼びます。

入力装置
記憶装置
中央処理装置（CPU）
出力装置
制御装置

5大装置についての詳細な説明はこちらの記事で詳しく説明しているので、良ければ読んでみて下さい👇

特にCPUと記憶装置の間で命令実行やデータ転送が行われて、演算と保存が実現しています。このCPUの命令実行やデータ転送のタイミングを取り仕切っているのがクロック信号であり、それを発生させているのがクロックジェネレータです。

このCPUとメモリ間のデータ転送については、こちらの記事で詳しく説明しているので、良ければ読んでみて下さい👇

クロック信号は、電圧が高い状態と低い状態を周期的に繰り返す波形で表されます。このクロック信号が1秒間に何回発生するかでクロック周波数が定義されています。例えば、1 Hzのクロック周波数は、1秒間に1回のサイクルが発生することを意味します。

現在の一般的なデスクトップコンピュータのクロック周波数は2～4 GHzであり、高速なゲーム用コンピュータでは5 GHz以上のクロック周波数を持つものもあります。

一秒間に発生するクロック信号の数がクロック周波数。単位は時間の逆数でHz（ヘルツ）と読む。引用元：https://www.intel.co.jp/content/www/jp/ja/gaming/resources/cpu-clock-speed.html）

クロック周波数の重要性と歴史

クロック周波数が高いほど、コンピュータは短い時間内に多くのタスクを処理できます。これは、ゲーム、ビデオ編集、複雑な計算など、処理能力を大量に必要とするタスクにおいて特に重要です。

高いクロック周波数は、システムのパフォーマンスを向上させるだけでなく、安定性も確保します。安定したクロック信号により、処理間に適切な時間の余裕が生まれ、遅延やエラーの発生を防ぐことができます。

クロック周波数は、コンピュータの進化とともに大きく向上してきました。1980年代から2000年代初頭にかけて、クロック周波数は急速に上昇しました。最初のCPUであるIntel 4004の動作周波数は108 KHzでした。

しかし、2000年代中頃からは、クロック周波数の向上が緩やかになり、最終的に3330MHz（3.3GHz）程度で一定になっています。

カレンダーイヤーに対するクロック周波数の推移。引用元：Computer Architecture: A Quantitative Approach (The Morgan Kaufmann Series in Computer Architecture and Design)

この主な原因は、消費電力の増加を抑えるのが難しくなってきたためです。クロック信号の発生頻度が高まることで、CPUがより多くの電力を消費します。

このため、クロック周波数が頭打ちになってからは、他の技術的要因が性能向上の主なドライバーとなりました。例えば、マルチコアプロセッサの導入や、キャッシュメモリの増加などが挙げられます。

ただ、スパコンなどの高性能なコンピュータについては、高いクロック周波数を出す必要があるため、液体を用いた効率的な冷却システム（液冷システム）が搭載されており、これにより高いクロック周波数を維持しながら安定した動作を実現しています。

スパコンについては、こちらの記事で詳しく説明しているので、良ければ読んでみて下さい👇

クロック周波数の発生原理

クロック周波数を発生させる主な方法は、水晶振動子を使用することです。水晶振動子は、石英（水晶）の圧電効果を利用して、非常に安定した周波数の電気信号を生成します。

水晶のように、圧電効果を有する材料を圧電材料と呼びます。圧電材料を用いた圧電素子についてはこちらの記事に詳しくまとめていますので、興味ある方は読んでみて下さい👇

さて、この水晶振動子だけではただ振動するだけのデバイスなのですが、適切な電気回路（発振回路）と組み合わせることで、安定した周期的な電気信号を生成できます。

この動作については以下のようにまとめることが出来ます：

初期励振: 電源を入れると、回路に微小な電流が流れ、水晶に電圧が加わります。
水晶の振動: 電圧により水晶が変形し、圧電効果によって逆向きの電圧が生じます。
正帰還: この電圧変化が回路にフィードバックされ、さらに水晶を振動させます。
持続的な振動: このプロセスが繰り返され、水晶の共振周波数で安定した振動が続きます。
クロック信号の生成: この振動が電気信号に変換され、クロック信号として出力されます。

水晶振動子（X）と負荷コンデンサC1およびC2を中心に構築されたピアース発振器の基本構成。（引用元：https://www.digikey.jp/ja/articles/how-to-simply-and-cost-effectively-meet-low-power-circuit-timing-requirements-using-spxos）

水晶以外にもクロック信号を生成する方法はあります。例えば、以下のような方法が実用化されています。

リング発振回路: 奇数個のNOT回路を環状に接続して作る簡易的な発振回路です。ただし、水晶振動子ほどの精度はありません。
PLL (Phase-Locked Loop): 基準となる低周波数信号から高周波数のクロック信号を生成する方法です。多くのMPUに内蔵されています。
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 発振器: シリコンベースの

クロック周波数の限界と未来

現在の技術では、クロック周波数の向上には物理的な限界があります。これを克服するために、プロセッサのアーキテクチャの改良や、新しい材料の導入が進められています。

例えば、量子コンピューティングや光コンピューティングなど、新しい技術が研究されています。これらの技術が実用化されれば、クロック周波数の限界を超える新しい時代が到来するでしょう。

まとめ💡

クロック周波数は、コンピュータの処理速度を示す重要な指標です。
高いクロック周波数は、処理能力を向上させ、システムの安定性を確保します。
クロック信号は、CPUが処理を同期させるために用いる周期的な電気信号です。
歴史的には、クロック周波数はKHzからGHzへと進化してきました。
消費電力とクロック周波数の関係も重要です。
クロック信号は水晶の圧電効果を利用して生成されています。

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