クロック

クロック （clock）

クロックといえば「時計」ですが、コンピュータのクロックは「時計」よりも、イメージとしては、「メトロノーム」の方がふさわしいように思います。

Clock is Conductor ? 「指揮者」といってもいいかもしれません。

オーケストラでは、様々の楽器の奏者が、指揮者のタクトに合わせて演奏します。

コンピュータの CPU にも様々な装置がありますから、これらの装置がタイミングを合わせて動くためには、オーケストラと同じように指揮者が必要です。

それが「クロック信号」です。
音楽の演奏速度はおおむね指揮者の解釈によって決まりますが、オーケストラが演奏可能な範囲に設定されることは言うまでもありません。コンピュータの動作速度もクロック信号の周波数で決まります。
CPU にも追随できる速度の限界がありますから、クロック信号の周波数も、 CPU 内部の各装置の動作速度を考慮した値が選ばれます。

とはいえ、コンピュータの身上はやはり「速さ」ですから、クロック信号の周波数は年々高くなる傾向にあります。最近の CPU では、3GHz (単位参照) というものさえ現れています。

クロック信号は、水晶振動子 (crystal oscillator) の振動をもとにして作られます。

水晶振動子の形状には様々なものがありますが、左の写真はその一例です。水晶振動子の振動は安定なので、正確に 1 と 0 を繰り返す基準信号を作るのに最適です。コンピュータや通信機器をはじめとする多くの電子機器で使用されています。

もちろん、「時計」にも小型の水晶振動子が使われています

。文字盤に "QUARTZ" と表示されているものもあり、水晶振動子を使用していることを表しています。

「クロック」も、クロック信号を使っているのです。

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^*1 周波数 (frequency)：　周期的な現象が１秒間に繰り返される数。単位はヘルツ (Hz)。1GHz では、１秒間に 10億回繰り返される。
^*2 3GHz ということは、1秒間に '0' と '1' との変化が 30 億回繰り返される、ということです。とはいっても、「ギガ」も「億」も、残念ながら、庶民に直感的に理解できる数字ではありません。
それで、この話をするときは、いつも「光」に手伝ってもらうことにしています。
3GHz のクロック信号が、1回動くのに必要な時間は、もちろん 1/30億秒です。この時間で光がどれだけ進むかは、光の速度に時間を掛ければ計算できます。光の速度、30万km/秒は 30 0000 000m/秒ですから、光が 1/30億秒の間に進む距離は、 30 0000 000m/秒 × 1/30 0000 0000 秒です。
これを計算すると、答えは 0.1m、すなわち 10cm になります。
1秒間に地球を 7 回り半も進む光が、わずか 10cm しか進めない時間 ── それが 1/30億秒です。
その「一瞬」に、 CPU は何か一仕事をする、というのです。
しかし、光が 10cm だけ進む時間、というのも、やはり庶民には直感的に理解できません…。
^*3 純機械式の時計には使われていません。

2005.03.18 ueyama@infonet.co.jp