CPI (Cycles Per Instruction)（CPI: シーピーアイ）

2025年10月23日

CPI (Cycles Per Instruction)（CPI: シーピーアイ）

英語表記: CPI (Cycles Per Instruction)

概要

CPIは、CPUが平均して1つの命令を実行するために必要なクロックサイクル数を示す性能指標です。これは、CPUの効率、特に命令パイプライン処理のボトルネックを評価する際に非常に重要です。CPUの仕組みにおける性能評価と最適化の指標として使われ、この数値が低いほど、少ない時間で多くの命令を処理できる、効率的で高性能なCPUであると判断されます。

この指標は、私たちが設計したCPUの命令セットやパイプライン構造が、どれだけ理想的な動作に近づいているかを客観的に評価するために不可欠なツールなのです。

詳細解説

CPI (Cycles Per Instruction) は、CPUの実行性能を構成する基本要素の一つであり、以下の計算式で定義されます。

$$
\text{CPI} = \frac{\text{総クロックサイクル数}}{\text{実行された命令数}}
$$

CPIの目的と、CPUの仕組みにおける位置づけ

CPIは、CPUの「性能評価と最適化」を行うための中心的な「指標」です。CPUの処理速度（実行時間）は、単にクロック周波数だけで決まるわけではありません。実行時間は「命令数」「CPI」「クロック時間（クロック周波数の逆数）」の三要素の積で決まります。このうち、CPIは命令の実行効率を担当しており、CPUの内部構造、特に「パイプライン」の設計が直接反映される部分なのです。

理想的なCPU、特に高度なパイプライン処理を採用しているCPUでは、理論上、クロックサイクルごとに1つの命令が完了します。この場合、CPIは1.0となります。しかし、現実のCPUでは、様々な要因によりパイプラインがスムーズに流れない「ストール（停止）」が発生するため、CPIは通常1.0を超えてしまいます。

パイプライン処理とCPIの密接な関係

CPUの仕組みにおいて、パイプライン処理は命令処理の高速化に欠かせません。命令の実行を、フェッチ、デコード、実行などのステージに分割し、複数の命令を並行して処理します。しかし、この並行処理を妨げる要因、すなわち「ハザード」が発生すると、CPIが急激に悪化します。

データハザード: ある命令が、前の命令の実行結果を必要としているにもかかわらず、まだ結果が出ていない場合に発生します。
制御ハザード: 分岐命令（条件によって次に実行する命令が変わる）が発生した際、CPUが次に実行すべき命令を予測できず、間違った命令をパイプラインに取り込んでしまった場合に発生します。

これらのハザードが発生すると、CPUは待機（ストール）せざるを得ず、その結果、1つの命令を完了させるのに必要なクロックサイクル数が増加し、CPIが上昇します。

最適化への貢献

性能評価と最適化の観点から見ると、設計者はCPIを下げることこそが、性能向上の鍵だと考えています。もしCPIが想定よりも高い値を示した場合、それはメモリへのアクセス遅延（キャッシュミス）が多いのか、あるいは分岐予測の精度が低いのかなど、ボトルネックを特定する重要な手がかりとなります。

例えば、キャッシュミスが多いプログラムを実行すると、CPUは主記憶からのデータ転送を待つ間、何百サイクルもストールすることがあり、その結果、プログラム全体の平均CPIが大きく跳ね上がります。CPIは、命令セットの設計からメモリ階層の効率まで、CPUシステム全体の健全性を測るための総合的な「指標」として機能しているのです。

具体例・活用シーン

CPIは、特に新しいCPUアーキテクチャを開発したり、既存のアーキテクチャで特定の命令セットの効率を分析したりする際に用いられます。

1. 異なる命令セットの比較

同じクロック周波数を持つ2つのCPUがあったとしても、命令セットアーキテクチャ（ISA）が異なれば、CPIは大きく変わります。

CPU A (複雑な命令セット): 1つの命令で非常に多くの処理が可能ですが、その分、実行に多くのサイクルを要する（例：CPI = 3.0）。
CPU B (単純な命令セット): 1つの命令で行える処理は少ないが、高速に実行できる（例：CPI = 1.2）。

この場合、CPU Bは命令数自体は増えますが、CPIが低いため、結果としてCPU Aよりも速い実行速度を実現できる可能性があります。CPIは、単なる命令数ではなく、その命令がどれだけ「効率的に」処理されたかを測る物差しとなります。

2. 工場の生産ライン（メタファー）

CPIを理解するためには、「工場の生産ラインの効率」に例えるのが非常に分かりやすいです。

ある工場（CPU）で、製品（命令）を一つ完成させるのに、何回の作業ステップ（クロックサイクル）が必要かを測定するのがCPIです。

理想的な工場では、作業ステップ1回につき製品が1つ完成します（CPI=1.0）。これは、パイプラインが常に満たされ、途切れることなく流れている状態です。

しかし、もしラインの途中で「部品が足りない！」（データハザード）と作業員が気づき、部品の到着を待ってラインが一時停止したらどうなるでしょうか？あるいは、「この製品はAルートに行くかBルートに行くか、まだ指示がない！」（制御ハザード）となって、指示待ちが発生したら？

ラインが停止するたびに、製品を一つ作るのに必要な作業ステップ数（CPI）はどんどん増加してしまいます。CPU設計者は、このCPIという指標を見て、「ああ、この工場のラインは平均して1つの製品を作るのに1.5ステップかかっている（CPI=1.5）から、部品供給（キャッシュ）か、指示系統（分岐予測）に問題があるな」と特定し、改善（最適化）を図るわけです。これがCPIの本質的な役割であり、性能評価と最適化の文脈で非常に重要視される理由です。

資格試験向けチェックポイント

CPIは、IT Passportでは基本的な概念理解が求められますが、基本情報技術者試験や応用情報技術者試験では、他の性能指標やCPUの実行時間計算と絡めた応用問題として頻出します。

性能計算の基本公式を理解する:
CPUの実行時間 $T$ は、命令数 $I$、CPI、そしてクロック時間 $C$（クロック周波数の逆数）を用いて、 $T = I \times \text{CPI} \times C$ で表されることを必ず押さえてください。この公式は、CPUの仕組みと性能評価を理解する上での土台です。
MIPSとの関係性:
MIPS (Millions of Instructions Per Second) は1秒間に実行できる命令数を表す「速さ」の指標です。MIPSはクロック周波数とCPIから計算できます。CPIは「効率」を示す指標であり、MIPSやFLOPS（浮動小数点演算の速さ）といった「速さ」の指標と対比して理解することが重要です。
IPC (Instructions Per Cycle)との関係性:
IPCはCPIの逆数（$1/\text{CPI}$）です。IPCは1クロックサイクルで完了できる命令数を示し、数値が大きいほど高性能です。試験では、CPIとIPCを混同しないように注意が必要です。特に、マルチコアやスーパースケーラ構成では、IPCが1.0を超えることもあります。
パイプラインのストールとCPIの上昇:
「CPUの仕組み（パイプライン）」の文脈において、データハザードや制御ハザードがCPIを悪化させる主要因であることを理解しておくことが、応用的な問題に対応する鍵となります。理想的なCPIが1.0であることを基準に、なぜ現実の値がそれより大きくなるのかを説明できるようになっておきましょう。これは、性能評価の核心部分です。