豆知識 |CPU (プロセッサ) の沿革(その1)| 湘南理工舎

はじめに

コンピュータへのニーズ・期待は高速で高度な画像処理, 高演算能力などです, また周辺では"5G通信"(第5世代移動通信システム) で見るように高速・高容量のネットワークが実現しています。
ここではコンピュータの性能を代表するCPU(プロセッサ) の高速化・高機能化・低消費化などの進化の概略を年代順 (沿革) に記載します。
(その1)では世界初の半導体によるコンピュータが出現から, 一般向にコンピュータ(PC)が普及するまでの時代を記します。
(その2)では CPU のマルチコアなどの高性能化,そしてのAI(人工知能)の急激な開発,NPUの登場…そんな近年までを記します。
さて皆さんがお使いのパソコンの CPU(プロセッサ) はなんでしょうか。

半導体の CPU(プロセッサ)分野の国産メーカに関しての超大雑把な現状は：

*パソコンのCPU は米国がほぼ独占状態を呈しています。
*日本は組み込み用マイコンとマイクロコンピュータが得意です。
ルネサス(※1),富士通(※2)，ローム, パナソニック, 東芝デバイスなど
※1:三菱電機, 日立, NEC のマイコンをはじめとする半導体関連で統合したメーカ
※2:スーパコンピュータ用のCPU
（パワー半導体, 半導体の材料, 半導体の製造装置などは日本は健闘しています。)

先に進む前の注意事項

以下に注意してお読み下さい。

*マイクロプロセッサ, プロセッサ, CPU は同じ意味で用いています。
*命令セットのアーキテクチャを "ISA"といいますが, ここでは"I-arch."とも呼んでいます。

*用語の参照先 ☞用語【参照先】

例:
☞アーキテクチャとマイクロアーキテクチャ【参照先】
☞キャッシュメモリ(L1,L2,L3)【参照先】
☞コアとスレッド【参照先】

*次の略称を使います

・パソコン/コンピュータ⇒"PC"

・オフィイスコンピュータ⇒"オフコン"

・スーパコンピュータ⇒"スパコン"

・ワークステーション⇒"WSPC

・アーキテクチャ⇒"arch.

・マイクロアーキテクチャ⇒"M-arch.

・命令セットアーキテクチャ⇒"I-arch.

・コードネーム⇒"C.ネーム

・コア数xとスレッド数y⇒"xc(ys)" 例:2c(4s)

・キャシュメモリ⇒"キャシュ"

・クロック周波数⇒"CLK 例:CLK 30MHz

・トランジスタ数⇒"Tr 数"

・コストパフォーマンス⇒"コスパ"

・ヒューレット・パッカード社⇒"HP"

・Texas Instruments社⇒"TI"

・ディジタル・イクイップメント・コーポレーション⇒"DEC"

・サンマイクロシステムズ⇒"Sun"

*CPUの表記について

・一般にブランド名/シリーズ名・ファミリー名・タイプ名などを表記します。
・世代別に "コードネーム(C.ネーム)" も使ってます。
以上から世代も含め,おおよそのスペックが分かります。

*トランジスタ数(Tr)とクロック周波数(CLK)

参考として, 代表的なCPUの「 Tr数とCLK」を, そのCPUの文末に記載しておきます。

ＣＰＵ(プロセッサ)の沿革(その1)

1971年インテル, 4004, (4ビット)

日本のビジコン社とインテルによって共同開発。
世界初の1チップ(LSI)にしたプロセッサ(CPU)です。

☆Tr数 2237個, CLK 741KHz

1974年

*インテル, 8080, (8ビット)

*Motorola, MC6800, (8ビット)

6800の派生型のCPUはAppleコンピュータ,任天堂ファミコンに使われた。

☆ Tr数 4100個, CLK 1～2MHz

*TI, TMS1000, (4ビット１チップマイコン)

周辺デバイスを1チップにした1チップマイコンです。このチップにより電卓製造が簡単になり,多くのメーカが参入しました。

1976年

*ザイログ, Z80, (8ビット)

Z80は8080より高機能,安価\(\cdots\) 8bitを代表するCPU になった。
日本ではシャープ,NECなどが PC(パソコン) に採用。
上記国内メーカはCPU(Z80) のそのものを製造した。
2024年に生産中止まで 48年間とロングライフなCPU, 産業界の機器制御に長く使われきた。

☆ Tr数 8200個, CLK 2～20MHz

*インテル, 8085, (8ビット)

8085 は8080の改良型

☆ Tr数 8500個, CLK 3.5～6.0MHz

1978年インテル, 8086, (16ビット)

OSがMS-DOSのPC に使われ, 例えばIBMのPCに, 日本ではNECのPC-9801 が人気をよんだ。
"x86"のI-arch.(※)の最初のCPU である。
(※):これ以降"x86"の名前は 80286、 80386、486 の開発に続く。
以後," x86 " とは8086の命令セット(I-arch.), また互換性を備えたCPUの総称である。 (x86系CPU とも言っている)

☆ Tr数 29,000個, CLK 5MHz

1979年

*Motorola, MC6809, (8ビット)

アキュムレータを2つ搭載した 8ビットMPU。究極の8ビットCPUと評された。
日立、富士通(FM-7)などのPC に採用。
上記国内メーカはCPU そのものを製造した。

*Motorola,MC68000, (32ビット,外部バスは16ビットのCPU）

後に登場するAppleのMac.,シャープ X68000に採用された。
本CPUをベースにした後継CPUが68000シリーズとなる。（680x0と呼称される)

1982年インテル, 80286, (16ビット)

1980年代後半-1990年代初頭のPCの代表的なCPUとなった。メモリ空間を16MBに拡大した。

1984年 Motorola, MC68020,（32ビット）

本格的な32ビットCPU。MACのPCやWSPC(ワークステーション)に採用。

☆Tr数 200,000個, CLK 33MHz

1985年インテル, 80386, (32bビット)

1990年代前半のパソコンの代表的なCPUとなった。

☆Tr数 275,000個, CLK 40MHz

1986年

*ミップス社, R2000,（32ビット RISC,WSPC用)

DECやシリコングラフィックスのWSPCで採用。

*英国エイコーン・コンピュータ社, ARM2, (32ビット RISC)

Acorn のarch., 同社のPC用

*HP社 (ヒューレット・パッカード), PA-RISC, (32ビットRISC, WSPC用)

1987年

*Motorola, MC68030, (32ビット, PC/WSPC用)
Macintosh,NeXTcube,X68030などので採用された。

*Sun (※) (サンマイクロシステムズ), SPARC, (32ビットRISC, WSPC用)

(※)1982年創設、UNIXなどのOSやJavaなどの開発、Sun製のWSPCは広範囲の分野で利用された。
2009年、オラクル社に買収された。

1988年 MIPS社, R3000, (32ビットRISC )

シリコングラフィックス社のWSPCに採用。
後にソニーの PlayStation(1994年)にも採用。

1989年インテル, i486, (32ビット,PC用) (本来は80486)

80386 の後継, キャッシュと FPU を搭載(※)、1990年代半ばのPC の代表的なCPU

1990年 IBM, power1, (32ビット) (スーパースカラ採用)【参照先】

powerシリーズはpower1～power10(2020年)があり,サーバ/ホスト用である。
PC用のCPUはこの後登場する"PowerPC"が担っていく。

1991年これから登場する CISKとRISCの【参照先】

*MIPS(ミップス社), R4000,(64ビットRISC)

*AMD (※), Am386,(32ビットCISC)

インテル80386の互換CPU

(※)AMD社(Advanced Micro Devices)は米の半導体メーカ、1969年創業。
パソコンのCPUやGPU(グラフィックスプロセッサ）が主体,コスパに優れたCPUを作っている
現在, CPUのトップメーカのintel社との競合で善戦している。

1992年

*AIM連合(Apple-IBM-Motorola), PowerPC 601, (32ビットRISC)
上記3社を提携を"AIM" と表し, "PowerPC" はそのCPU のブランド名です。

IBMのオフコン RS/6000, Apple PCの Power Mac.に使われた。

*Sun, SuperSPARC, (32ビット, キャッシュ2MB)

対称型(※)マルチプロセッサ(SMP)である。
(※:2つのプロセッサが対等の関係(主従関係ではない)にある)

1993年インテル, Pentium(初代) (32ビット)(arch.は"x86", M-arch.は"p5")

この時のM-arch.を"P5"と称した。
RISCを追加し,CISCとRISCの折衷タイプ, また従来のCPUの互換性を図った。
Pentium はこの後2009年までに "Pentium Pro, Pentium Ⅱ, Pentium Ⅲ, Pentium 4, Pentium D, Pentium M,Pentium Dual-core" へと向上を続ける。

1994年

*Motorola, MC68060, (32ビットCISC)

68000系の最後のCPU、この後はPowerPCに移行。

*MIPS社, R8000, (64ビットRISC)

*HP社, PA-RISC7200, (64ビットRISC)

1995年

*AIM連合, PowerPC 603,(32ビット RISC, Powerのarch., PC用)

低消費電力・低価格、Power Mac., PowerBook, 組み込みマイコン向けに使われた。

*AIM連合, PowerPC 604, (32ビットRISC)

当時のPC向けとして卓越した演算性能、Power Mac.の上位機種で採用, また IBMのサーバ,スコンにも採用された。

*Sun, UltraSPARC(ウルトラ・スパーク)

64ビットRISC CPU, 自社のWSPCに使われたのではいか。

*インテル, Pentium Pro, (32ビットCISC）

P6のM-arch.に基づいたCPU。

"P6 のM-arch." とはCISC命令をRISC的命令セットに変換/実行するなど, インテルが初めて採用した。
当時の先進的技術を全て盛り込んだ,インテルのx86命令セットの設計である。
この設計概念は、10年以上に渡ってプロセッサ設計の土台となる。

1996年 MIPS, R10000,(64ビット RISC)

このCPUは NEC, 東芝が生産した。

1997年

*IBMとMotorolaの連合, PowerPC 750/740, (32ビットRISC)(別名PowerPC G3)

"PowerPC"の第3世代,低価格・低消費電力,高演算性能なCPU。
Power Mac.G3, PowerBook G3, iMac, iBook, 任天堂のキューブとWii に使われた。

*Sun, UltraSPARC II,（64ビット,RISC CPU, WSPC用)

*インテル、Pentium II(32ビット), (x86のarch. p6のM-arch.)

Pentium Proの弱点の処理速度を向上。

1998年

*IBM、PowerPC750L, (64ビット)

世界初の銅配線のCPUにより消エネ実現。

*AMD, K6-2, (32ビット, インテル互換, PC用)

低価格PC市場でシェアを伸ばした。

*インテル, Celeron(セレロン), (32ビット, x86, PC用)

Pentium II の廉価板(AMD K6-2 への対応）

1999年

*SCE(ソニー子会社)と東芝の共同, Emotion Engine, (128ビットRISC (※))

PlayStation2に使われた。（※:MIPS R5900がベースのCPU）

*インテル, Pentium III, (32ビット)(arch.は"x86", M-arch.は"P6")

Pentium IIの高クロック化(0.6G)などの改良, マルチメディア用演算機能を拡張。

*AMD, Athlon(アスロン), (32ビット, x86のM-arch.）

インテル Pentium III への対抗

*AIM 連合, PowerPC G4, (32ビットRISC, PC用)

PowerPCの4世代, PowerMac、PowerBook,組み込みシステム向けに使われた。

2000年

*Sun, UltraSPARC III, (64ビット RISC, WSPC用)(TI社で製造)

*AMD, Athlon(アスロン), (32ビット,x86のarch.,k7M-arch., 低価格)

*IBM, RS64-IV, (64ビットのPowerPC(※))

S64シリーズの最後CPUとなった, 後継はPOWER4となる。
(※:AIMの提携によるRISCのCPUのブランド名

*インテル, Pentium 4, 初代 (32ビット, x86のarch., NetBurstのM-arch.)

☆ Tr数 4,200万個, CLK 2GHz

2001年

*インテル, Xeon(ジーオン), (高度な拡張機能, 32ビット,サーバ,WSPC用)

*インテルとHPの共同開発, Itanium(アイテニアム), (64ビット, RISC, 高性能サーバ用)

64ビット命令セット"IA-64"採用
Itanium はこの後, 2017年までに1,2年おきに向上したCPUを発表する。

2002年

*IBM, POWER4, (マルチコア 64ビット, サーバ/ホスト用)

2003年

*Apple, PowerPC G5, (64ビットRISC, PC用)

同社のPCは世界初の64ビットPCとなった

*インテル, Pentium M, (32ビット, モバイルPC用に特化)
（arch.は "x86", M-arch.は "Pentium M"）

*AMD, Opteron(オプテロン), (C.ネーム:SledgeHammer) (AMD64を搭載,64ビット,サーバ用)

AMD64(x86-64)とは
同社64ビットの命令セットをもち, また32ビットのx86系命令セット(インテル互換)を維持したまま64ビットの命令を実行可能にした命令セット。
Opteron はその後世代を上げていく。(世代は C.ネームから分かる)

*インテル,Xeon(ジーオン), (64ビット,マルチCPU,キャッシュ4MB サーバ用)

業務用サーバーやWSPC向けに特化したCPUで向上を続けている。

*AMD Athlon64(アスロン), (64ビット, AMD64, PC用)

2004年

*Sun, UltraSPARC IV, (64ビット, マルチコア&スレッド)

IVでは1c(2s),同年後半のUltraSPARC IV+ においてデュアルコアを実現。

*IBM, POWER5, (64ビット, サーバ / ホスト用）

2c(4s),キャシュ36MB,FPU内蔵。

*インテル,Pentium 4, (第3世代) (64ビット,Intel 64(※),キャッシュ1MB,PC用)

(※)x86arch.を64ビットに拡張した命令セット（ISA） ☞【参照先】
"Intel64" は AMD社の"AMD64"とほぼ同等。

*HP Alpha EV7z, (64ビット, クロック1.3GHz, RISC CPU)

DECの設計, DEC→コンパック→HPの買収劇の末に

2005年

*AMD Turion64(テュリオン), (K8のarch., AMD64のI-arch., モバイルPC用)

*IBM,東芝,ソニー : Cell,（PowerPCを基本にした64ビットRISC)

ゲーム機PS3,サーバ, WSPC に使われた。

*インテル Pentium D, (x86のarch., intel64のI-arch., 64ビット, 2コア, PC用)

☆Tr数約4億5800万個, CLK 3.2GHz

*AMD Opteron(オプテロン), 第３世代(C.ネーム:Egypt)(64ビット, コア数1～16,サーバ用)

(x86のarch.,AMD64のI-arch.,K8のM-arch)

*AMD Athlon64X2(アスロン), (64ビット, K8のM-arch., 2コア, デスクトップPC用)

(x86のarch., AMD64のI-arch., K8のM-arch, フラシュ1MB)

*Sun, UltraSPARC T1, （64ビット, 8c(32s), サーバ用 )

2006年

*インテル, Intel Core, (初代)(C.ネーム:Yonah) (32ビット, 1また2コア, x86のarch.,PC用)

"Pentium M"の後継(次世代)

*Sun, UltraSPARC T2, (64ビット, マルチCPU)(サーバ用)

先のUltraSPARC T1を拡張し, 8コア/64スレッド, 演算能力を向上。

2007年

*IBM, POWER6, (64ビット,2コア, サーバ用)(POWER5の後継)

キャッシュメモリが大容量・高速(コア毎に4MBのキャッシュ, 毎秒75GBのメモリアクセス)
クロック 4.5GHz

*インテル, Intel Core2, （コードネーム : Penryn）(コア1～4, モバイルPC用)

x86-64のI-arch., "Win Vista"のPCに使われた
"coreシリーズ " と後に続く "core iシリーズ" と似ているが異るのでご注意。

*AMD Phenom(フェノム), (AMD64のI-arch., 4コア, デスクトップPC用)

複数の種類があり、コア数も3個,4個,6個と選べる, K10のarch.(K8の後継)

2008年

*インテル, Intel Atom, (C.ネーム:Silverthorne)(低消費,低価格,モバイルPC用)

*Sun, UltraSPARC T2 Plus, (C.ネーム : Victoria Falls)(サーバ用)

マルチコア,マルチスレッド, Sunと富士通はサーバに搭載した。

*インテル,　Core i5, i7登場,(Core iの第1世代(1))
・64ビットマルチコア

・C.ネームの"Nehalem"(ネハーレン)がM-arch.になっている。
・C.ネームにより第1世代が2種類ある。(2010年に第1世代(2)が登場する)
・これ以降 core i シリーズが頻繁の世代を上げていく。

☆Tr数十数億個 (メーカよりTr数の公表がない)

2009年

*AMD PhenomⅡ(フェノムⅡ), (64ビット,マルチコア,デスクトップPC用)

コア2～6(スレッド2～6),キャッシュ6MB
x86のarch., AMD64のI-arch., K10のM-arch.

☆Tr数 7億5800万個, CLK 3.2GHz

*AMD Opteron(オプテロン), (C.ネーム:Istanbul)(64ビット,マルチコア,サーバ/WSPC用)

6c(6s), キャッシュ:(3+6)MB,K10-DのM―arch., ,

*富士通, SPARC64 VIIIfx,（スパコン用のHPCI(※), 8コアRISC)

※:革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ」の略で公共的なシステムの名称です。
理化学研究所の「京」に搭載用。

…以上

―(その2)へ続く―

[コーヒーブレイク/閑話］…お疲れさまでした

CPUのTr実装数とクロック周波数(CLK)

\( \begin{array}{ccccc} 1971年& 2,237個& 741 \s{KHz}& 4bit& \s{intel} 4004\\ 1976年& 8,200個& 2 \s{MHz}& 8bit& \s{zilog} Z80\\ 1978年& 29,000個& 5 \s{MHz}& 16bit& \s{intel} 8086\\ 1985年& 275,000個& 40 \s{MHz}& 32bit& \s{intel} 80386\\ 2005年& 4億1,00万個& 3.2 \s{GHz}& 64bit& \s{intel} Pentium D\\ 2009年& 7億5,800万個& 3.2 \s{GHz}& 64bit& \s{AMD} PhenomⅡ \end{array} \)

Tr数(トランジスタ):
\(\frac{7.5億}{2000}=\frac{7.5\x10^8}{2\x10^3}\)\(=3.75\x10^5≒38万\)
CLK数(クロック周波数):
\(\frac{3GHz}{700KHz}=\frac{3\x10^9}{700\x10^3}\)\(=\frac{3\x10^6}{700}\) \(=\frac{30\x10^3}{7}\)\(=4.28\x10^3≒4千\)

上記より 1971年(4bitのCPU)から40年後(64bitのCPU)で CPUのTr実装数が約38万倍です。
微細化が進み集積度が上がりました。

intel社のムーア氏が1975年に「半導体の集積度は2年ごとに2倍になる」を提唱しました。
これをムーアの法則と呼ばれるようになりました。

ＣＰＵ(プロセッサ) の沿革(その1)

はじめに

先に進む前の注意事項

ＣＰＵ(プロセッサ)の沿革(その1)

[コーヒーブレイク/閑話］…お疲れさまでした

CPUのTr実装数とクロック周波数(CLK)