わかりやすく CPU クロック とは

カチッ、一拍

時計といっても、長い針や短い針があるわけではありません。
クロックは、0と1をとても速く繰り返す信号です。
0、1、0、1……と一回上がって下がるのが一拍で、信号が上がる瞬間ごとにコンピュータは一歩ずつ動きます。

0と1が一回上がって下がると一拍。刻むたびに歩数が一つ増えます。

下の図では点滅に見えますが、実際のコンピュータは1秒間に数十億回も時を刻みます。
だから私たちの目には、すべてが一度に起きているように見えるのです。

みんなで一歩ずつ

なぜわざわざ拍子が必要なのでしょうか。
部品がいくつもあるのに、それぞれが勝手に動くと、ずれて仕事がもつれてしまいます。
そこで全員が同じ拍子に合わせ、「いま！」の瞬間に一歩ずつそろって動くのです。

拍子を切ると部品がばらばらにもつれ、入れると「いま！」に合わせて並んで動きます。

一拍のあいだに、すべての部品が自分の仕事を終えて次の拍を待ちます。
拍子は「みんな、出発！」を知らせる笛のようなものです。

1秒に何回？ ヘルツ

拍子が1秒間に何回刻むかを、ヘルツ(Hz)と呼びます。
1Hzは1秒に1回、1GHzは1秒になんと10億回です。
たくさん刻むほど多くの歩を進めるので、コンピュータは速くなります。

スライダーを遅いから速いへ動かすと、1秒間の歩数が爆発的に増えます。

ですから「3.2GHz」のような数字が、そのコンピュータの拍子の速さです。
毎秒32億回刻むという意味です。
想像もつかないほど速い拍子の上で、すべてが動いているのです。

速くすればいいわけではない

では、拍子をどこまでも上げればよいのでしょうか。
そうはいきません。壁が二つあるからです。
一つは、一歩が終わる前に次の拍が来ると歩みが崩れること。もう一つは、速くなるほど熱がたくさん出て、電気もずっと多く使うことです。

拍子を上げ続けると熱と電気が跳ね上がり、限界を超えると歩みが崩れます。

そこでいまのコンピュータは、拍子をむやみに上げるかわりに、働き手(コア)を何人も置く方向へ進みました。
速さには現実的な限界があるからです。
コアの話は、別の分野でまた出てきます。

いよいよ、脈打つ心臓

私たちが作ったCPU(第12回)は、この拍子に合わせて命令を一つずつ取り込みます。
キャッシュ(第13回)から素早く取り出し、通り道(第14回)を通って部品どうしが値をやりとりします。
クロックは、これらすべてを脈打たせる心臓なのです。

拍ごとにCPUが命令を一つ取り込んで実行します。コンピュータの体が、ついに脈打ち始めます。