クロック周波数とは　1秒に刻む拍の数、インテルのCPUは50年で750kHzから最大6GHzに

クロック周波数は、チップの中で回路の歩調をそろえる信号が、1秒間に何回刻まれるかを示す数字です。デジタル回路の多くは、この拍に合わせてデータを次の段へ渡します。1秒に10億回刻めば1GHzです。同じ設計なら、周波数が高いほど同じ時間に多くの処理ができます。

周波数を決めるもの

1拍のあいだに、信号は記憶の素子から出て、論理の回路と配線を通り、次の記憶の素子に届く必要があります。いちばん時間のかかる経路が、その拍の長さに収まらなければなりません。周波数の上限は、トランジスタの速さと配線の遅れで決まります。6GHzの1拍は約0.17ナノ秒で、1GHzの1ナノ秒の6分の1です（計算）。

電力の面でも制約があります。回路が切り替えのたびに使う電力は、容量、電圧の2乗、周波数にほぼ比例します。周波数を上げるには電圧も上げる必要があることが多く、電力と発熱は周波数以上の割合で増えます。そのため、今のCPUは常に最高の周波数で動くわけではありません。

インテルの数字で見る50年

インテルの資料に載るクロック周波数

製品	発売	周波数	製造技術
4004	1971年11月	750kHz	10µm
第12世代 Core（最上位）	2021年	最大5.2GHz	Intel 7
Core i9-14900K	2023年10〜12月	基本3.2GHz、最大6GHz	Intel 7
Xeon Platinum 8570（エヌビディアのDGX B200に搭載）	―	基本2.1GHz、最大4GHz	―

4004と第12世代はインテルの2021年の50周年の資料、14900Kはインテルの製品仕様、Xeonはエヌビディアの製品仕様から。4004の周波数は、インテルの別の資料では740kHzと書かれている。

Core i9-14900Kは24コアで、性能を重視する8コア（Pコア）の基本周波数が3.2GHz、効率を重視する16コア（Eコア）が2.4GHzです。負荷が軽いコアだけを高く回す仕組み（ターボ）で、最大6GHzまで上がります。サーバー向けのXeonは、多くのコアを長時間動かすため、周波数を低めに設定しています。

周波数より並列へ

CPUの周波数は、2000年代半ばから伸びが鈍りました。電圧を下げられなくなり、周波数を上げると発熱が許容を超えるようになったためです。その後は、コアの数を増やして同時に多くの処理をこなす方向に進みました。AIの計算に使うGPUはさらに極端で、1つのチップに多数の演算器を並べ、周波数よりも並列の数で性能を出します。

関連する用語

• TDP：冷却の設計の目安になる消費電力の値。
• タイミング解析：信号が1拍のうちに届くかを確かめる設計の作業。
• ターボ：電力と温度に余裕があるときに周波数を上げる仕組み。
• デナード則：微細化で電力密度を保てるという法則。崩れたことが周波数の伸びを止めました。