基本情報技術者 2012年 春期 午前（科目A） 問10

マルチコアプロセッサの特徴【午前解説】

正解の理由

解法ステップ

1. 各選択肢の主張を「性能スケール」「消費電力」「共有資源」「クロック」の4観点で分解して評価します。
2. 「性能スケール」は理想的にはコア数に比例する（線形）か検討し、二乗になるような根拠があるか確認します。
3. 「消費電力」は低クロック・低電圧で並列化することによる効果を考え、性能/ワットの改善が妥当か判断します。
4. 「共有資源」と「クロック」について、同時動作時の競合や周波数設計の限界を突き合わせます。
5. これら照合の結果、最も整合する選択肢を決定します。

選択肢別の誤答解説

• ア: コアの個数を$n$倍にすると、プロセッサ全体の処理性能は$n^2$倍になる。
  → 誤り。理想的には線形で最大でも$n$倍（並列化可能部分に依存）で、$n^2$倍になる根拠はありません。Amdahlの法則により上限が定まります。
• イ: 消費電力を抑えながら、プロセッサ全体の処理性能を高められる。
  → 正解。低電圧・低クロックの複数コアでスループットを稼ぎ、性能当たり電力を改善するというマルチコアの主目的に合致します。
• ウ: 複数のコアが同時に動作しても、共有資源の競合は発生しない。
  → 誤り。キャッシュやメモリバス、I/Oなど共有資源は競合し得るため、性能劣化や待ち時間が生じます。
• エ: プロセッサのクロック周波数をシングルコアより高められる。
  → 誤り。マルチコアは高クロック化の代替手段であり、むしろ高周波動作を避けるために用いられます。高周波化は消費電力と発熱を増大させます。

よくある誤解

• 「コアを増やせば必ずn倍速くなる」：並列化できる処理の割合やメモリ帯域が制限となり、実効スピードアップは理想値に達しないことが多いです。
• 「共有資源の競合は起きない」：複数コアで共有するキャッシュやメモリは競合やコヒーレンシ問題が発生し、性能を悪化させる原因になります。
• 「クロックを上げられる」：マルチコア化は高クロック化を回避するための手段であり、必ずしもシングルコアより高い周波数で動作させる設計ではありません。

補足コラム

• Amdahlの法則：並列化可能な割合を$p$、コア数を$n$とすると理論上の加速比は $$S(n)=\frac{1}{(1-p)+\frac{p}{n}}$$ で表され、$p<1$なら無限にコアを増やしても加速は有限です。
• 性能/ワットが重要視される背景：サーバーや組込みでは総消費電力と冷却コストが制約となるため、同等のスループットをより低消費電力で実現する設計が求められます。
• 実装上の課題：キャッシュコヒーレンシ（MESI等のプロトコル）、メモリ帯域、ロックや同期のオーバーヘッドが性能を左右します。ソフトウェア側での適切な並列化設計が必要です。

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