マルチコア

2025年11月16日

マルチコア

英語表記: Multi-core

概要

マルチコアとは、一つの物理的なCPUチップ内に、演算処理を行う核となる部分（コア）を複数搭載したハードウェア構造のことです。これは、現代のコンピューティングにおいて、複数のタスクを「真に同時」に実行する並列処理を実現するための最も基礎となる「ハードウェア背景」です。この構造があるからこそ、OSやアプリケーションはマルチスレッド技術を利用し、効率的な並行処理を可能にしています。

詳細解説

マルチコア技術は、CPU性能向上の歴史的な転換点として非常に重要です。かつて、CPUの性能は主にクロック周波数（動作速度）の向上によって達成されていましたが、発熱や消費電力の物理的な限界に直面しました。そこで、一つのコアを速くするのではなく、コアの数を増やすことで全体の処理能力（スループット）を高める戦略が採用されました。この戦略が、並行・並列処理の分野における「並列の基礎」を物理的に確立しました。

目的と動作原理

マルチコアの主要な目的は、並行処理能力の最大化です。並行処理（Concurrency）とは、複数のタスクを同時に扱うことを指しますが、シングルコア環境では、非常に短い時間でタスクを切り替えながら処理する「時間分割」（見かけ上の並行処理）しかできませんでした。一方、マルチコア環境では、複数の独立したコアが同時に稼働するため、複数のタスクやスレッドを完全に同時に実行する「真の並列処理（Parallelism）」が可能になります。

例えば、4つのコアを持つCPUの場合、OSは4つの異なる処理を同時に各コアに割り当てることができます。これにより、大規模なデータ処理や複雑なシミュレーション、多数のユーザーリクエストを扱うサーバーなどにおいて、劇的な性能向上が見込めます。

並行処理との関連性（ハードウェア背景）

並行・並列処理の観点から見ると、マルチコアは「ハードウェア背景」として以下の役割を果たします。

物理的な実行資源の提供: マルチスレッド化されたソフトウェアが設計通りに動作するためには、そのスレッドを実行する物理的な場所が必要です。マルチコアは、この実行資源を豊富に提供します。
キャッシュメモリの管理: 各コアは通常、専用の高速なキャッシュメモリ（L1, L2）を持っていますが、コア間で共有されるキャッシュ（L3）も存在します。並列処理の効率を高めるためには、データの一貫性（キャッシュコヒーレンシ）を保つことが重要であり、マルチコアの設計はこの管理機構を含んでいます。

このように、マルチコアは、ソフトウェアが並行性や並列性を追求する上で、欠かせない土台を提供しているのです。コア数が多ければ多いほど、理論上は多くの処理を同時に進めることが可能ですが、その恩恵を最大限に受けるには、アプリケーション自体がマルチスレッドに対応している必要があります。

具体例・活用シーン

1. 動画レンダリングの高速化

例えば、高解像度の動画編集ソフトで最終的な動画ファイルを出力する「レンダリング」作業は、非常に負荷の高い並列処理の代表例です。シングルコアCPUでは数時間かかっていた処理も、マルチコアCPUでは、各コアが動画の異なるフレームやセクションを分担して並列処理するため、処理時間が劇的に短縮されます。これは、マルチコアが「並列処理の基礎」をいかに支えているかを実感できる分かりやすい例です。

2. 複数のアプリケーションの同時実行

私たちが日常的にパソコンを使う際、Webブラウザ、メールソフト、音楽再生、文書作成などを同時に行いますが、これらがスムーズに動作するのはマルチコアのおかげです。各アプリケーションの処理が異なるコアに分散されるため、一つの処理が重くなってもシステム全体が停止しにくくなります。

3. アナロジー：複数のレジ係がいるスーパーマーケット

マルチコアの概念を理解するための比喩として、スーパーマーケットのレジを想像してみてください。

シングルコアCPU: レジが一つしかありません。どんなに優秀なレジ係（高性能なコア）であっても、お客さん（タスク）は一人ずつしか対応できません。待ち行列（キュー）が長くなると、処理に時間がかかります。これは、見かけ上の並行処理（時間分割）に近いです。
マルチコアCPU: レジが複数（例えば8つ）設置されています。お客さんが同時に8人並んでも、それぞれ異なるレジ係が対応するため、会計（処理）が同時に進みます。これが「真の並列処理」です。

このスーパーの例で重要なのは、レジ係（コア）が複数いるという「ハードウェア背景」があるからこそ、多くのお客さん（並行するタスク）を効率的にさばくことができる、という点です。

資格試験向けチェックポイント

マルチコアに関する問題は、IT Passportや基本情報技術者試験において、並行・並列処理の基礎知識として頻出します。特に、シングルコアとの違いや、ソフトウェアとの連携に関する理解が求められます。

コア数とスレッド数: マルチコアは物理的なコア数を指しますが、「ハイパースレッディング（SMT）」などの技術により、論理的なスレッド数（OSから見えるコア数）は物理コア数の2倍になることがあります。試験では、物理コア数と論理スレッド数の違いを明確に区別できるようにしてください。
並行処理と並列処理: マルチコア環境は「並列処理」を可能にするハードウェアです。シングルコアが時間分割による「並行処理」のみ可能であったのに対し、マルチコアは「真の並列処理」を実現する、という点が重要です。これは、並行と並列の基礎を問う問題の核となります。
性能向上と限界（アムダールの法則）: マルチコアによって性能は向上しますが、ソフトウェアがマルチスレッド化されていない部分（逐次処理部分）の割合が大きいと、コア数を増やしても全体の速度向上には限界がある、という「アムダールの法則」の概念が応用情報技術者試験などで問われることがあります。
クロック周波数との関係: 性能向上策として、クロック周波数向上からコア数増加へとシフトした背景を理解しておくことが、IT技術の歴史的な流れを把握する上で役立ちます。