シングルプロセッサ (シングルプロセッサ) とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

シングルプロセッサ (シングルプロセッサ) の読み方

日本語表記

シングルプロセッサ (シングルプロセッサ)

英語表記

single processor (シングルプロセッサ)

シングルプロセッサ (シングルプロセッサ) の意味や用語解説

シングルプロセッサとは、コンピューターシステムにおいて中央処理装置、すなわちCPU（Central Processing Unit）を一つだけ搭載している構成を指す。コンピューターは、プログラムの命令を実行したり、様々な計算やデータ処理を行ったりするが、その中心的な役割を担うのがCPUである。シングルプロセッサシステムでは、全ての情報処理タスクがこの単一のCPUによって実行される。そのため、原理的には一度に一つの処理しか行えないが、実際にはオペレーティングシステム（OS）が非常に高速に処理を切り替えることで、複数のプログラムが同時に動いているかのように見せかける「時間分割マルチタスク」を実現している。この技術により、ユーザーはウェブブラウザを開きながら文書を作成したり、音楽を再生したりといった複数の作業を並行して行うことが可能となる。シングルプロセッサは、コンピューターの黎明期から現代に至るまで、基本的なアーキテクチャとして多くのシステムで採用されてきた。 シングルプロセッサシステムにおけるCPUの動作は、命令のフェッチ（読み込み）、デコード（解釈）、実行というサイクルを延々と繰り返すことで成り立っている。このサイクルは非常に高速であり、クロック周波数によってその速度が決定される。例えば、ウェブブラウザ、メールソフト、ワードプロセッサの三つのアプリケーションが同時に実行されている状況を考える。シングルプロセッサの場合、CPUはそれぞれのアプリケーションの命令を非常に短い時間（タイムスライス）ごとに交互に処理していく。まずウェブブラウザの命令を一定時間実行し、次にメールソフトの命令を実行し、その後にワードプロセッサの命令を実行するといった具合である。この切り替えは数ミリ秒単位で行われるため、人間には複数の処理が同時に進んでいるように知覚されるが、実際にはCPUは各時点では一つの処理しか行っていない。このような方式は「擬似並列処理」とも呼ばれる。 シングルプロセッサシステムの利点はいくつか挙げられる。まず、システム設計と実装の簡素さである。CPUが一つであるため、複数のCPU間でタスクの負荷を分散させたり、データの一貫性を保ったりするための複雑な同期メカニズムや、キャッシュコヒーレンシ（複数のキャッシュ間でデータ内容を一致させる仕組み）といった問題を考慮する必要がない。これにより、システム全体の構築コストを低く抑えることができ、消費電力も少なくなる傾向がある。また、プログラムのデバッグも、複数のCPUが並行して動作することに起因する競合状態（レースコンディション）などを考慮する必要が少なく、比較的容易であるという側面も持つ。これらの特性から、リソースが限られた組み込みシステム、例えば、特定の機能に特化した家電製品の制御装置、産業用コントローラ、あるいはIoT（Internet of Things）デバイスなどにおいては、現在でもシングルプロセッサが広く採用されている。 一方で、シングルプロセッサシステムには明確な限界も存在する。最大の欠点は、処理能力のスケーラビリティ（拡張性）が低いことである。全ての処理が単一のCPUに集中するため、CPUの性能がシステム全体の処理能力のボトルネックとなる。例えば、大量のデータ処理を必要とする分析アプリケーションや、多数の同時接続を捌く必要がある大規模なWebサーバーなどでは、単一のCPUでは処理能力が不足し、システムの応答速度が著しく低下したり、フリーズしたりする可能性がある。また、システムの中核である単一のCPUが故障した場合、システム全体が停止するという「単一障害点」の問題も抱えている。システムの性能を向上させたい場合、より高速なCPUに交換するしか方法がなく、根本的な処理能力の向上には限界がある。 現代のコンピューターシステム、特にパーソナルコンピューターやサーバーにおいては、CPUの処理能力に対する要求が爆発的に増大した。このため、現在では一つのCPUパッケージ内に複数の処理コアを搭載したマルチコアプロセッサや、複数の物理的なCPUを搭載したマルチプロセッサシステムが主流となっている。これらは複数の処理を真に並行して実行できる能力を持つ。シングルプロセッサシステムは、そのようなマルチプロセッサシステムとは異なり、純粋に一つのCPUで全ての処理をまかなうシステムである。システムエンジニアを目指す上で、この基本的なコンピューターアーキテクチャを理解することは、より複雑なマルチプロセッサシステムや並列処理の概念を習得するための重要な基礎となる。それぞれのシステム構成が持つ特性と限界を把握することは、適切なハードウェア選定や効率的なソフトウェア設計を行う上で不可欠な知識である。