なぜCPUのキャッシュ容量は小さい?増やせない?

最終更新日 2019年05月20日

回路規模が大きくなり製造が難しくなるので CPU のキャッシュ容量は小さく増やせないのか

【4Gamer.net】 − ゲーマーにとって,CPUとは何か − には、以下のとおり書かれています。(記事の内容から2005年9月頃に書かれた記事と思われる)
 ところがこのキャッシュは,CPUと同じ速度で動作することもあって,そうそう簡単に製造できるものではない。Intel 80486というCPUは,かの有名なPentiumの一世代前に当たるCPUだが,前述したようにキャッシュ容量はわずか8KB。その大きな要因の一つとして,これ以上の容量にしようとすると,回路規模が大きくなりすぎて,製造が難しくなる点があった。
同記事のさらなる説明によると、CPU はウェハーと呼ばれる円盤状のシリコン上に複数まとめて製造されますが、製造時には何らかの原因で欠陥が発生し、欠陥が発生した CPU は使いものになりません。

回路規模が大きくなると各 CPU のサイズも大きくなり、欠陥が発生する CPU の個数が増え、1枚のウェハーから取れる欠陥なしの CPU の割合は減ってしまいます。

それでも欠陥なしの CPU を製造できますが、欠陥ありの CPU が多く欠陥なしの CPU が少ないほど CPU の製造原価が上がり、CPU の価格も上昇しユーザーにとっても良くありません。

以上の理由により、CPU のキャッシュ容量を増やせないそうです。

製造コストが大きく上昇し消費電力が増加するので CPU のキャッシュ容量は小さく増やせないのか

【福田昭のセミコン業界最前線】プロセッサのキャッシュに不揮発性メモリを使う - PC Watch には、以下のとおり書かれています。(この記事の公開年月日は2012年7月3日)
 この2つはSRAM技術が備える最大かつ最強の長所なのだが、SRAM技術には大きな短所も2つある。1つは、半導体メモリ技術としては最もメモリセル面積が大きいこと。もう1つは、記憶容量当たりの待機時消費電力が少なくないことだ。

 プロセッサの実効的な演算性能を上げるためには、キャッシュの記憶容量を拡大することが望ましい。しかしSRAMキャッシュはこれらの弱点により、記憶容量をむやみには増やせない。記憶容量を極端に拡大すると、シリコン面積、すなわち製造コストが大きく上昇してしまう。さらに、消費電力が増加する。ノートPCやメディアタブレット、スマートフォンといったモバイル機器のプロセッサでは、これらの短所は特に、具合が悪い。
「この2つは」とは、現在の半導体メモリー技術で最も高速にデータを読み書きできること、CMOS ロジックと全く同じプロセスで作れるメモリーであることです。

キャッシュ容量を増やそうとすると製造コストが大きく上昇してしまうそうですが、その理由については 4Gamer.net の記事に書かれていた内容となると思います。

キャッシュ容量が小さく増やすのは難しい理由には、容量あたりの待機消費電力が高いこともあるようです。パソコンを電源コンセントからの電力供給で使い、かつ電気代を気にしないとしても、CPU の発熱も増えて具合が悪いと考えられます。


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