【1】はじめに
ロジック回路は、コンピュータの思考を支える基礎技術です。
0と1の組み合わせで演算・判断を行い、最終的に CPU（中央処理装置） や GPU（画像処理装置） といった高性能プロセッサの動作につながります。
CPU/GPUは、膨大な数のMOSFET（数十億〜数千億個）で構築されており、そのすべてがロジック回路の組み合わせで動いています。
【2】ロジック回路とは何か
ロジック回路（Logic Circuit）とは、0（LOW） と 1（HIGH） の信号を処理し、論理的な判断を行う回路のことです。
ロジック回路は大きく2種類に分類されます：
2-1. 組み合わせ回路（Combinational Logic）
入力だけで出力が決まる回路。
代表例：
● AND（論理積）
● OR（論理和）
● NOT（反転）
● NAND / NOR（CMOS回路の基本）
● ＸＯＲ（排他的論理和）
● 加算器（Adder）
● マルチプレクサ（MUX）
用途：演算、信号切替、アドレス計算など。
2-2. 順序回路（Sequential Logic）
過去の状態（メモリ）を持つ回路。
代表例：
● フリップフロップ（Flip-Flop）
● カウンタ
● レジスタ（データ保持）
● ステートマシン（制御回路）
用途：CPUのレジスタ、制御ユニット、パイプラインなど。
【3】CPUの構造概要
CPUは「汎用的な計算をこなすための最適化されたロジック集団」です。
内部構造は次の主要ブロックに分けられます。
3-1. ALU（Arithmetic Logic Unit）
・加算、減算、ＡＮＤ/ＯＲ/ＸＯＲ、シフトなど基本演算を担当
・組み合わせ回路で構成され、1クロックで演算を実行
・CPUの算数係にあたる
3-2. レジスタ（Register）
・CPU内部の超高速メモリ
・計算中のデータやアドレス、一時的な結果を保持
・10〜100個程度の高速記憶素子（SRAM構造）
3-3. 制御ユニット（Control Unit）
・命令を読み取り、ALUやレジスタに指示を出す
・ステートマシン（順序回路）で構成
・CPUの司令塔
3-4. キャッシュ（L1/L2/L3）
・SRAMで構成された超高速メモリ
・CPUとDRAMの速度差を埋める緩衝材
・データを先読みして保持し、処理効率を向上
3-5. パイプライン（Pipeline）
・処理工程を分割し、同時並行で実行
・命令を高速に処理するための技術
・例：IF → ID → EX → MEM → WB
3-6. マルチコア構造
・複数のCPUコアを1チップ上に搭載
・並列処理により性能を向上
・スマホ：8コア
・サーバー：32〜128コア以上
【4】GPUの構造概要
GPUは「大量のデータを一気に処理する」ことに特化したプロセッサです。
画像処理・AI処理に強い理由は、その圧倒的な並列構造にあります。
4-1. ストリーミングマルチプロセッサ（SM / CU）
GPU内部の演算ユニット（NVIDIA → SM、AMD → CU）。
1つのSMに数十〜数百の小規模演算器（ALU）が搭載されている。
大量の演算器により、高い並列処理を実現。
4-2. SIMD / SIMTアーキテクチャ
・同じ命令を多数のデータに並行適用する方式
・行列演算や画像処理に極めて有効
・AI（ディープラーニング）の基礎計算にも強い
4-3. グローバルメモリ / シェアードメモリ
・GPUには独自のメモリ構造が存在
・GDDR6/HBMなど高帯域メモリ
・シェアードメモリはSM内の高速バッファ
GPUはメモリ帯域こそ性能の生命線。
【5】CPU vs GPU の違い
テキスト形式で分かりやすく比較します。
【CPU】
● 少数の高性能コア
● 高速なシングルスレッド性能
● 分岐・制御に強い
● 汎用処理向け
【GPU】
● 数千〜数万の小規模コア
● 高い並列性能
● 行列計算・画像処理・AIに強い
● 特化型プロセッサ
まとめると：
CPU＝司令塔、GPU＝作業員の大軍団
とイメージすると理解しやすいです。
【6】ロジック回路がCPU/GPUになるまで
CPU/GPUは巨大なロジック回路の集合体です。
１．トランジスタ（MOSFET）
２．ロジックゲート（NAND/NORなど）
３．組み合わせ回路・順序回路
４．ALU・レジスタ・制御回路
５．CPU/GPUの大規模構造
６．SoCとして統合（CPU＋GPU＋メモリ＋通信）
全ては「0と1の論理演算」の積み重ねによって動いています。
【7】今後のCPU/GPUの進化方向
● Chiplet構造（AMD, Intel, TSMC）
● 3D積層（TSVを用いたCPU＋キャッシュの垂直統合）
● AI専用回路（Tensorコア・NPU）
● 光インターコネクト（配線ボトルネックの解消）
● RISC-Vの台頭（オープンアーキテクチャ）
将来は「CPU/GPU/AIアクセラレータの三位一体構造」が当たり前になります。
【8】まとめ
・ロジック回路はデジタル電子機器の最小構成単位。
・CPUは少数の高性能コアで汎用処理に強い。
・GPUは数千の小規模コアで並列計算に圧倒的に強い。
・どちらもMOSFET数十億個以上で構成される巨大なロジック集積体。
・今後はChiplet化・3D化・AI化が主流となる。
【理解チェック】
１．組み合わせ回路と順序回路の違いは？
２．CPUの主要構成要素を3つ挙げよ。
３．GPUがAIに強い理由は？
コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。
※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません。
