クロック周波数とCPIとは？

クロック周波数とCPIの意味

CPUの実行時間は「命令数 × CPI（命令あたりの平均クロックサイクル数）× クロック周期」で決まる。クロック周波数はクロック周期の逆数で、1GHzなら1サイクル1ナノ秒。応用情報では、この3因子のどれを改善したかを読み取り、実行時間を計算させる問題が繰り返し出る。

クロック周波数とCPIの具体例

2GHz（周期0.5ns）でCPIが2.5のCPUが1億命令を実行すると、1億×2.5×0.5ns＝0.125秒。ここでクロックを2.5GHzへ上げてもパイプラインの段数増加でCPIが3.0に悪化すれば 1億×3.0×0.4ns＝0.12秒で、周波数25%向上に対し実効改善は4%しかない。

クロック周波数とCPIは試験でどう引っ掛けられる？

周波数が高いCPUが必ず速いとは限らない。命令セットが違えば同じ処理に要する命令数もCPIも変わるため、周波数の比較は同一アーキテクチャ内でしか意味を持たない。CPIの逆数であるIPCと混同しないこと。

クロック周波数とCPIと関連する用語

• MIPS・FLOPSと命令ミックス
• パイプライン処理
• CPUの命令実行サイクル

クロック周波数とCPIが出た過去問

• 表のCPIと構成比率で、3種類の演算命令が合計1,000,000命令実行されるプログラムを、クロック周波数が1GHzのプロセッサで実行するのに必要な時間は何ミリ…

  正解：2.8

  要点：実行時間は平均CPI×命令数÷クロック周波数で求める

  まず構成比率で重み付けした平均CPIを求める。3×0.2＋5×0.2＋2×0.6＝0.6＋1.0＋1.2＝2.8サイクル／命令となる。1,000,000命令では2,800,000サイクル必要で、1GHz（1サイクル1ナノ秒）のプロセッサではこれに1ナノ秒を掛けて2.8ミリ秒となる。

  出典：令和3年度 春期 ネットワークスペシャリスト試験 午前Ⅱ 問22（IPA）