無住心言術道場第86回「コンピュータのしくみの全体像の見方としての理解しやすい説明(ハードウェア編2(クロック周波数とは何ぞや)) 」無住心剣術の精神で、 風邪が治っていませんが、コンピュータが判らなくて、途方にくれている世界の人達のために、針屋忠道、恐れず、怯まず、突貫します。
では、第83回の説明から続けましょう。
コンピュータはスイッチのオンオフで出来ている。具体的には、CPU(MPU)や主記憶装置と呼ばれるメモリ(DRAM)、GPUなどは、膨大な量のスイッチの集積であり、一昔前には大規模集積回路と日本では呼ばれていました。
コンピュータで、二進数が用いられる理由は、スイッチのオンとオフは、オンが1、オフが0のスイッチと考える事からスタートします。
この場合。二進数で、表現する場合。
1、CPUでは、データの幅としてビットが単位として使われる。8ビットは8個のスイッチで表現が可能。64ビットは64個のスイッチで表現が可能。
2、メモリでは、データの実用的な単位として、バイトが用いられます。1バイトは8ビットです。1バイトのデータは8個のスイッチから成り立ちます。16GBのメモリでは16を8で乗算した128に10の9乗の数(十億)を乗算した膨大な1280億個のスイッチから成り立っています。
こう考えると、理解がしやすいと思います。
では、今回の本題のクロック周波数です。
まず、なぜ、スイッチのオンとオフの結果生計算が可能になる0と1の二進数でCPUとGPU、メモリが動いているのかイメージが掴みづらい人たちも多いと思います。
このスイッチのオンとオフを司るのがクロック周波数を創り出す発振回路です。
通常CPUとメモリは、別々にマザーボート呼ばれる部品に、搭載されている水晶振動子を用いた発振回路でクロック周波数が生成されてスイッチのオンとオフ状態が変化する場合と、そのままである状態の保持の場合が発生します。
GPUは通常はマザーボードではなく、GPU自体に搭載されている水晶振動子を用いた発振回路でクロック周波数が生成されます。
クロック周波数である、一秒間をクロック周波数で除算した時間の中で、0と1の二進数のスイッチとしての側面のCPU、メモリ、GPUの論理回路が変化して、計算が行われると考えることができます。
現代のCPUでは、1クロックで一つの、論理回路で成り立つCPUの命令セットが実行されることは在りません。
1クロック単位では、複数の命令が同時に進行し、1命令は複数クロックで実行が完了します。(生成AIのCopilotさんから理解の深度を得ている)
メモリを構成するDRAMは、0と1のスイッチのオンとオフの状態を維持するために、リフレッシュ動作が在ります。電力を消費します。理論上は、一クロックごとに全ての情報が書き変わる事も定義できますが(「概念上は定義できるが、実際のDRAMはそう動かない」ChatGPTPlusさんの提案)。実際は命令が来たときのみ、メモリ空間上のスイッチのオンとオフは行われます。
「GPUは、主に演算処理を行うコアクロックと、専用メモリの転送速度を決めるVRAMクロックの2つのクロック周波数によって処理能力が構成される半導体チップである」(生成AIのGeminiさんの校正)
生成AIでは、VRAMと呼ばれるビデオメモリ上に、深層学習のトレーニング済みのモデルを展開します。C#のONNX runtimeで高速に推論し利用するためにONNX形式のファイルにPython3で変換している場合があります。
「通常、現代のCPUでは、複数のコアを持っています。各コアごとに、異なる位相同期回路と電圧を持っている事が普通です。
クロック周波数の生成の方法は現在では、
- 水晶振動子
↓ - 基準クロック(数十〜数百MHz)
↓ - PLL(位相同期回路)で逓倍(入力された周波数をn倍に増やす。読みは「ていばい」)
↓ - CPUコアクロック(数GHz)」(カッコ内は生成AIのCopilotさんが理解を深めてくれた説明)
超天才フォン・ノイマンが考案した、ノイマン型コンピュータの動作を司るために必要不可欠なクロック周波数の説明を出来るだけ、判りやすく行いました。(全体の文章の校正と検証作業はChatGPTPlusさんに受けています)
今日は、このあたりで筆を置きましょう。
この「無住心言術道場第○○○回」の文章は全て、クリエイティブ・コモンズ・ライセンスのCC BY です。「CC BYの条件:原著作者の表示(BY)を条件に、作品の利用、改変、商用利用が許可」。原著者:針屋忠道、Copilot,ChatGPT。CC BYから、ホームページからコピー・アンド・ペーストを行って生成AIを用いての翻訳および保存は自由に許可されます。CC BYから、ホームページからコピー・アンド・ペーストを行って生成AIを用いての翻訳および保存は自由に許可されます。