なぜ CPU にはキャッシュメモリーがあるのか

メインメモリーの処理速度は遅い

CPU は、メインメモリーに対してデータの読み書きを行いますが、CPU 内部まで詳細に見ていくと、CPU 内部にあるキャッシュメモリーに対してもデータの読み書きを行っています。

キャッシュメモリーが無くても、CPU はメインメモリーに対してデータの読み書きを行えれば正常に動作できますが、キャッシュメモリーを CPU 内部に設けてデータの読み書きを行うようにしている理由は、メインメモリーの処理速度の遅さによる性能低下の影響を抑えるためです。

CPU の処理速度が速いほど性能が高くなりますが、メインメモリーに対するデータ読み書き速度も速くならなければ、足を引っ張られてしまい、パソコン全体で見れば性能は伸びません。

例えば、CPU が1秒間に100回メインメモリーからデータを読み込める処理速度があっても、メインメモリーが1秒間に10回 CPU へデータを渡せる処理速度しか無ければ、CPU は待たされる事になり、CPU は本来の処理速度を発揮できません。

キャッシュメモリーでデータ読み書きにかかる時間を短縮

昔は CPU にはキャッシュメモリーがありませんでしたが、今と比べたら CPU の処理速度がすごく遅かった頃は、メインメモリーの処理速度の遅さは問題にはなりませんでした。その後、技術進歩によって CPU の処理速度がどんどん向上し続け、メインメモリーの処理速度の遅さが問題になり、CPU の処理速度が向上してもメインメモリーの処理速度も合わせて向上しなければ、パソコン全体の性能は伸び難くなってきました。

そこで登場したのがキャッシュメモリーです。キャッシュメモリーはメインメモリーよりも処理速度が速く、メインメモリーと比べたらキャッシュメモリーに対するデータ読み書きにかかる時間は大幅に短いです。

ただし、常にデータ読み書きにかかる時間が短縮はされません。メインメモリーと比べるとキャッシュメモリーの容量は小さく、CPU が読み込む可能性が高いデータをキャッシュメモリーに保存しておくため、そのデータを読み込む場合にデータ読み込みにかかる時間が短くなります。また、キャッシュメモリー容量不足の場合は、メインメモリーへデータ書き込みが発生するため、データ書き込みにかかる時間は短くなりません。

以下で、簡易な図を用いて、キャッシュメモリーを活用してデータの読み込み時間を短縮する例を見ていきます。

キャッシュメモリーに何もデータが保存されてなければ、必ずメインメモリーからデータを読み込みます。(@)その後、メインメモリーから読み込んだデータを、キャッシュメモリーに保存しておきます。(A)

CPU @
メインメモリー
↓A    
キャッシュメモリー(※)
(※)キャッシュメモリーは CPU 内部にあります。

また同じデータを読み込む場合は、キャッシュメモリーからデータを読み込みます。(B)

CPU   メインメモリー
↑B    
キャッシュメモリー

このように、キャッシュメモリー内に読み込みたいデータがあれば、メインメモリーよりもキャッシュメモリーの方が処理速度が速いため、データ読み込みにかかる時間の短縮を実現できます。

次に、また簡易な図を用いて、キャッシュメモリーを活用してデータの書き込み時間を短縮する例を見ていきます。

CPU からメインメモリーへデータを書き込む場合は、まずキャッシュメモリーに書き込みます。(@)このデータを、キャッシュメモリーからメインメモリーへデータを書き込みます。(A)

CPU   メインメモリー
↓@   ↑A
キャッシュメモリー

キャッシュメモリーの容量が空いていないと無理ですが、キャッシュメモリーにデータを書き込む事で、データ書き込みにかかる時間の短縮を実現できます。

全体的に見れば、キャッシュメモリーを経由する事で、メインメモリーに直接データを書き込むより時間がかかってしまっていますが、CPU はキャッシュメモリーにデータ書き込みが完了するまで待てば良く、メインメモリーにデータ書き込みが完了するまで待つ必要が無くなるため、CPU は次の処理に早く移れます。

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2015/02/16 更新