前回までの”半導体産業の微細化と水平分業化”シリーズの番外編、第二弾です。
今回は、先端ロジック半導体について詳しく見ていきます。まずは最も適用範囲が広いと思われる「プロセッサ」という言葉から見ていきましょう。
第２０回 先端ロジック半導体の仲間たち
～CPU、GPU、MPU、MCU、SoCとは～
一般用語のプロセッサ（processor）はprocessという動詞にorが付いたものです。プロセス（process）という動詞の日本語訳は「（～を）処理する」で、語尾にorが付くと「～するもの・人」という名詞になりますので、プロセッサに対応する日本語は「（～を）処理するもの・人」になります。
実際に辞書を引くと、処理装置や処理機、処理業（者）などの訳が出てきます。具体例としては、フードプロセッサやワードプロセッサ（略してワープロ）という言葉が頭に浮かびます。
※英英辞典で調べると、例えばa person, device, or business that processes thingsというような説明が出てきます。
IT関連で使う場合は、一定の手順に基づいて情報の処理を行う装置やソフトウェアと考えることができます。例えば、この文書はwordで作成していますが、wordは文書を作成するためのプロセッサソフト（ワープロソフト）の一種です。また先端ロジック半導体の一種であるマイクロプロセッサも、読んで字のごとくプロセッサの一種で、入力されたデータにプログラムに従って論理演算という処理を施す装置です。
先端ロジック半導体の仲間であるCPU、MPU、GPU などのPUはProcessing Unitの略ですが、processing unitという言葉も処理装置と訳されます。プロセッサのように「～する人」という意味はないですが、IT関連で使う場合はプロセッサと同義だととらえていいと思います。したがってCPU、GPU、MPUなどのxPUもプロセッサの仲間です。実際MPUはマイクロプロセッサの略称として使われています。
ではプロセッサの仲間をもう少し詳しく見ていきましょう。
まず一番定義がはっきりしていると思われるCPUを取り上げます。。
＜CPU＞
CPUは Central Processing Unitの略で日本語では中央処理装置と呼ばれ、コンピューターの構成要素のひとつです。これは半導体の用語ではなくコンピューターの用語で、定義のはっきりした言葉です。現代のコンピューターは基本的には下図のようになっており、CPUはこの中の制御と演算を行う部分のことでコンピューターの頭脳にあたります。現在のパソコンのCPUのように1個の集積回路に収められている必要はありませんし、半導体である必要もありません。集積回路が発明される前は単体のトランジスタ等で構成されていましたし、それ以前は真空管等で構成されていたそうです。
＜マイクロプロセッサ＞
コンピューター関係でよく出てくる言葉としては、他にマイクロプロセッサという言葉があります。これは、ここまで見てきたプロセッサやCPUのように定義がはっきりしている言葉ではありません。
現在最も広く受け入れられているのは「コンピューターの主要構成要素であるCPUの機能（制御と演算）をひとつの半導体チップ上に実装したものをマイクロプロセッサと呼ぶ」という説明だと思われます。これは半導体の用語でCPUに比べるとより範囲が限定される言葉です。
世界最初のマイクロプロセッサは、インテルが1971年に発表したIntel4004という製品とされています。これはもともと日本のビジコン社の電卓向けの専用製品として開発されたものなのですが、詳細は文末の補足説明①を参照ください。
※インテルの日本語Web Siteには「世界初の商用マイクロプロセッサー」と書かれています。（インテルのWeb Siteではプロセッサではなく長音符を付けてプロセッサーと書かれていますのでそのまま使用しています）（2024年10月9日に閲覧した2021年11月16日のインテル® 4004 マイクロプロセッサー 50周年のニュースリリースから）
実際はこれ以前に現在とは違う意味でマイクロプロセッサという言葉を使った例がありますが、現在一般的に理解されているマイクロプロセッサの発端という意味ではIntel4004が最初と言っていいと思われます。
なお、当時ビジコン社の技術者としてその開発に携わった嶋正利氏によれば、マイクロプロセッサと命名したのは、「マクロ命令」ではなく「マイクロ命令」を採用したというのが理由で、物理的に小さいという意味ではないそうです。しかし、現在では、もともとの意味ではなく単純に物理的に小さいという意味に理解されていると思われます。
マイクロプロセッサの略称としてはMPUという言葉が使われることが多いですが、これはMicro Processing Unit（まれにMicro Processor Unit）の略です。
ここまで説明したことをもとに、プロセッサとCPUとマイクロプロセッサの関係を整理すると上図のような関係になります。CPUはコンピューターの構成要素としての名前です。マイクロプロセッサはひとつの半導体チップの上に載っているCPUのことで、半導体デバイスとしての名前です。そして、どちらもプロセッサであることには間違いありません。
ですので、パソコンの頭脳として使われるインテルやAMDなどの半導体デバイスのことをCPUと呼ぶこともあればマイクロプロセッサと呼ぶこともプロセッサと呼ぶこともありますが、どれも間違いではありません。
言葉の意味としては上図のような関係になりますが、現在パソコンやサーバーやスマホなどのIT機器に搭載されているCPUは、現実的にはすべて半導体チップの形で提供されています。前節で述べたように半導体チップの形になったCPUをマイクロプロセッサと呼びますので、現在のIT機器に限定して考えると、CPUとマイクロプロセッサは（言葉の意味は違いますが）同じものを指す、すなわちCPU＝マイクロプロセッサと考えてもいいと思います。マイクロプロセッサではないCPUはありません。
ただ、インテルが初めてマイクロプロセッサを作った当時はマイクロプロセッサ＝CPUだったと思いますが、集積度が向上した現在では、半導体チップ上にはCPU以外の回路もいろいろ搭載されています。したがって「マイクロプロセッサ＝CPU」ではなく、「マイクロプロセッサ＝CPU＋関連するその他の回路」になっています。
※本来CPUというのは、中央処理装置（コンピューターの頭脳の部分）というコンピューターの構成要素を指す言葉なのですが、現在では、IT機器関連や半導体関連の話題でCPUという言葉を使う場合には、CPUの機能（制御と演算）を半導体チップ上に実装した回路のことを指していることが多いと思われます。
また、現在ではCPU以外にもGPUやNPUなど半導体チップ上に実装されたプロセッサ（xPU）が存在します。これらは半導体チップ上に実装されたプロセッサなので、広義にはマイクロプロセッサと呼んでもいいと考えられますし実際に呼ばれています。最新の製品ではCPU、GPU、NPUが同一チップ上に搭載されている場合もあります。
※GPUは次節で説明します。NPUはNeural Processing Unit あるいは Neural network Processing Unitの略でAI処理に特化したプロセッサです。Neural networkは生物の神経回路網のこと。
※インテルのWeb Siteを見ると（2024年8月21日閲覧）、CPUとGPUに関する記述の中に「どちらもシリコンベースのマイクロプロセッサーです」と書かれています。
さらに、現在のIT機器に搭載されるプロセッサ（CPU、GPU、NPUなどのxPU）は、現実的にはすべて半導体チップで提供されているので、現時点でIT機器に搭載されているプロセッサはすべてマイクロプロセッサになります。したがって、あえてマイクロをつける必要性はなく、単にプロセッサと呼ばれることも多いです。
実際、インテルとAMDのWeb Siteを見ると（2024年8月21日閲覧）、どちらも製品群としてはプロセッサ（Processors）という言葉を使っています。
したがって、現在のIT機器に限定するとプロセッサ・CPU等のxPU・マイクロプロセッサの関係は概ね以下の図のようになると考えられます。
では次にその他のプロセッサの中で最もよく知られていると思われるGPUについて説明します。2023年の生成AIのChat GPT発表以来、特に生成AI関連で急に目に触れたり耳にしたりする機会が増えている用語だと思います。
GPUは Graphics Processing Unitの略です。日本語に訳すと画像処理装置になりますが、日本語訳が使われることはほとんどないと思います。パソコン、ゲーム機等のモニターに画像を表示するための計算に特化したプロセッサのことを指します。画像処理用のチップ自体は1970年代から存在していましたが、GPUという言葉はNVIDIAが1999年に自社製品に初めて使ったとされています。今では一般用語として定着しています。単純な計算を並行して同時に大量に実行できるという特徴を生かして、最近ではAI等の他領域でも活用されています。CPUに比べると用途の限定されるプロセッサです。
※GPUの特徴を生かしてAIなど画像処理以外の領域でGPUを活用することをGPGPU（General-Purpose computing on Graphics Processing Units）と呼びます。
CPUは、処理に時間はかかるものの、GPUの代わりができますが、GPUは、CPUの一部の仕事を請け負うことはできても、CPUの代わりはできません。実際にCPUのないパソコンは存在しません。CPUは頭脳であり司令塔ですが、GPUは、CPUの指示に従って、熟練の作業者をたくさん並べて単純作業を大量にこなすという役割だと思われます。CPUが一部の負荷の重い単純な仕事をGPUに外注に出しているという見方もできます。
さて、微細化が進み集積度が向上すると、システムを構成するほとんどすべての機能をひとつの半導体チップに搭載することが可能になってきます。ここからはプロセッサにその他のいろいろな機能を搭載した製品の話をします。
MPUとよく似た言葉にMCUという言葉があります。これもよく聞く言葉だと思います。
MCUはMicro Controller Unitの略です。Unitは省いて単にMicrocontroller（マイクロコントローラ）と呼ばれるか略称のMCUで呼ばれることが多いと思います。日本語ではマイコンと呼ばれることも多いです。CPUが搭載されている製品ですが、controller（制御装置）という言葉から連想できるように、家電や産業機器や自動車等の制御に主に使われます。
※マイコン制御の例：お風呂の自動お湯はり、電気炊飯器の自動炊飯、エアコンの自動温湿度調節、冷蔵庫の温度調節など
MCUは、ひとつのチップに制御装置として必要な機能（CPU、メモリー、I/O回路など）を搭載していることがほとんどです。主な用途は機器の制御なので、それほどの高性能は要求されず、通常はその時代の最先端の微細プロセスまでは要求されません。いわゆるレガシープロセスで十分な製品が多いです。プログラム格納用にフラッシュメモリーが搭載されているものが多く、アナログ回路が搭載されている場合も多いので、単純なロジック半導体ではありません。ただし分類上はロジック半導体に分類されていると思います。
世界最初のMCUは、マイクロプロセッサとほぼ同時期の1970年代の前半に登場しました。これにも電卓が絡んでいます。最初は1チップマイクロコンピューター（あるいはシングルチップマイクロコンピューター）と呼ばれましたが、時間の経過とともにマイクロコントローラに変わったようです（歴史的経緯の詳細に関しては文末の補足説明②を参照ください）。
MCUの有力メーカーであるルネサスやNXPやSTマイクロのWeb Siteを見ると（2024年8月21日閲覧）、MCU以外にMPU（あるいは（マイクロ）プロセッサ）という製品も扱っています。といってもパソコンやサーバーやスマホに使われるものではなくMCUと同じように様々な機器に使われるものですが、MCUとMPUを区別しています。MCUとMPUの境目ははっきりと定義されていないようですが、MPUは、単なる制御ではなく、より高性能が要求されるIT的な用途などに使われるものだと思われます。
最後にスマホなどでよく使われる言葉であるSoCについて説明しましょう。これは今までとは別の観点での分類になります。SoCはSystem on a ChipあるいはSystem on Chipの略です。CPU等のロジック回路とシステムを構成するその他の主な機能を一つのチップに統合した半導体デバイスで、エスオーシーと読みます。これもCPUが含まれていることが多いのでプロセッサと呼ばれることもあります。プロセッサというのは機能を表す用語ですが、SoCというのは機能ではなく形態を表す用語です。
SoCにはロジック回路以外のアナログ回路やメモリーが含まれることも多く、ロジックと分類するのもおかしいかもしれませんが、主機能がロジックなのでロジック半導体と呼んでもいいかと思います。
スマホのように小さい機器の場合は、部品の数が減ることは大きなメリットになりますので、SoCが非常に有効な解になると言えます。逆にSoCというものの存在があったからこそ、スマホというデバイスが可能になったという見方もできます。
ところで、SoCという言葉はいつ頃から使われているのでしょうか。正確にいつと特定するのは難しいですが、1990年代と推測されます。よく似た言葉にシステムLSIという言葉がありましたが、今はSoCが主に使われてシステムLSIという言葉はあまり使われないと思います。微細化が進みムーアの法則に従って搭載素子数が指数関数的に増大した結果、1990年代になるとシステムを構成する主要な機能を一つのチップに搭載することが可能になり、自然にSoCという概念に行きついたものと思われます。ただ既に1970年代には当時1チップマイクロコンピューター（あるいはシングルチップマイクロコンピューター）と呼ばれた製品（現在のMCU）が登場していたので、小規模なシステムはそのころから実質的にはSoCになっていたと思われます。ただMCUをSoCと呼ぶことはほぼなく、もっと高集積で高性能なものをSoCと呼んでいるように思います。
「CPU等のロジック回路とシステムを構成するその他の主な機能を一つのチップに統合した半導体デバイス」をSoCと呼ぶと上に書きましたが、どこまでの機能を載せればSoCなのか、というはっきりした定義はなさそうです。ただ、これだけ集積度が向上すると、プロセッサ関連製品はかなりの製品がCPU以外にも複数の機能を同一チップ上に搭載している場合が多く、もはやかなりの製品がSoC的になっていると思われます。特に搭載される機器の大きさが小さい場合にその傾向が強いと思われます。また同一チップ上に搭載するのが困難なDRAM等を同一パッケージ内に納めたものも普通に存在します。ただ同一パッケージ内に複数のチップが入っている場合は、チップ上ではなくパッケージ内にシステムが入っているので、SoCではなくSiP（System in Packageの略称、まれにSystem in a Packageと書かれている場合もあります）と呼ばれ、エスアイピーと読みます。
※SoCとSiPの読み方等については文末の補足説明③を参照ください。
SoCにはロジック回路以外にアナログ回路やメモリーが搭載されることが多いです。しかしロジックとアナログとメモリーの作り方（製造工程）は必ずしも同じではありません。例えば、メモリーを例にとると、SRAMはロジック製品と同じ製造工程で作れますが、フラッシュメモリーやDRAMは全く製造工程が違いますので、これらを同じチップに搭載できたとしても、とても複雑な製造工程になります。当然工期は伸びコストはアップします。また、どうしてもチップサイズが大きくなるので歩留（ぶどまり、良品率のこと）は悪くなります。ですので、全ての機能を一つのチップ上に搭載することが必ずしも合理的な選択肢とは限りません。何種類かのチップに分けて作ってそれらを同一パッケージに納める選択肢（前述のSiP）が合理的な場合が存在します。最近チップレットという考え方が最先端ロジックの分野で話題になっていますが、こういう観点から言うと合理的な考え方だと思います。というよりSoCという考え方に無理が出てきたということだと思われます。
今回のお話はこのあたりで終わりにして、次回はこのチップレットについて少し詳しくお話ししたいと思います。
【補足説明】
①Intel4004はもともとビジコン社の依頼で開発されたビジコン社専用の製品でした。ビジコン社の当初の依頼は、ソフトウェア（プログラム）を変更するだけで違う電卓モデルを作ることができる電卓専用の集積回路群の開発でした。しかし、諸々の問題があり、インテルから逆提案された、同じくソフトウェアでカスタマイズできるより汎用的な4チップ構成の製品群の開発をすることになりました。そのうちの1チップがCPUをひとつの半導体チップ上に実装したマイクロプロセッサでした。4チップでコンピューターとしての機能を実現しておりMCS-4 マイクロコンピューターセット（Micro Computer Set）と呼んでいました。もともとはビジコン社向けのカスタム製品でしたが、諸般の事情によりインテルが汎用品として販売することになりました。発注元のビジコン社の嶋正利氏が論理設計を担当されています。
②世界最初のMCUを作ったのはTI社（テキサスインスツルメンツ）とされています。1971年に発売されたもの（TMS0100シリーズ）が最初とされる場合もありますが、これは電卓用のため1974年に発売された汎用性のある製品（TMS1000シリーズ）が最初とされる場合もあります。ネットで検索するとデータシートを見ることができましたが、1チップマイクロコンピューター（one-chip microcomputer）と呼んでいたようです。マイクロコンピューターも略すとマイコンになります。日本語のマイコンは、マイクロコントローラの略の場合とマイクロコンピューターの略の場合があるようです。インテルの最初のマイクロプロセッサも、前述のように、他の3チップとセットでMCS-4マイクロコンピューターセットと呼ばれていました。当時はマイクロコンピューターという言葉の方が普通に使われていたのかもしれません。インテルが1976年に初めて出したマイクロコントローラがMCS-48（8048シリーズ）ですが、ネットで検索してユーザーズマニュアルを見ることができましたが、シングルチップマイクロコンピューター（single chip microcomputer）と書かれています。こちらでもマイクロコンピューターという言葉が使われています。インテルが1980年に出した後継製品のMCS-51（8051シリーズ）は広く普及したマイクロコントローラだったようで互換製品もかなりあったようです。このデータシートをネットで検索してみると、当初はマイクロコンピューターと呼称してたものが、時間の経過とともに呼称が変化し、1990年代にはマイクロコントローラに変化していることがわかります。もともとデータシートの本文にもoptimized for control applications と書かれているので、背景はわかりませんが、用途を表す名称に変わっていったと思われます。
③SoCとSiP：2022のIRDS（注１）では、SoCはSystem on Chipの略称、SiPはSystem in Packageの略称とされており、どちらも冠詞の a はついていません。ただし読み方までは書いてありません。日本人の中には、まれにSoCをソックと読む人がいますし、SiPをシップと読む人は結構いてネットで検索するとシップと読むと書いてあるものもあります。英語圏の人が実際にどう読んでいるかを調べるために、Youtubeの英語の動画をいくつか聞いてみましたが、SoCはエスオーシー、SiPはエスアイピーと読んでいますので、本文ではそのように記載しました。（注１）IRDSはIEEEが発行しているINTERNATIONAL ROADMAP FOR DEVICES AND SYSTEMSのことです。
※過去の記事はこちら：
シリーズ：半導体の微細化
第１回： 半導体の微細化 ムーアの法則とは
第２回： 半導体の微細化と半導体プロセス
第３回： 半導体の微細化と国際半導体技術ロードマップ
第４回： 半導体の微細化と半導体ビジネス
第５回： 半導体の微細化と半導体ビジネス その２
第６回： 半導体の微細化と半導体デバイス
第７回： 半導体の微細化 スケーリング則とは
第８回： 半導体の微細化 スケーリング則の限界
第９回： 半導体の微細化とアナログ回路
第１０回： Siウェーハの大口径化 ～ありふれた物質Si（シリコン）が主役になるまで～
第１１回： Siウェーハの大口径化（その２） ～Siウェーハができるまで～
第１２回： Siウェーハの大口径化（その３） ～大口径化の理由と歴史～
第１３回： 半導体産業の水平分業化とファブレスの躍進
第１４回： 半導体産業の水平分業化の歴史～ファブレス半導体企業の誕生～
第１５回： 半導体産業の水平分業化の歴史～ファウンドリの誕生～
第１６回： 半導体産業の水平分業化 ～ファウンドリは下請けか？～
第１７回： 半導体産業の水平分業化 ～製品別、国別の水平分業の実態（前編）～
第１８回： 半導体産業の水平分業化 ～製品別、国別の水平分業の実態（後編：国別）～
第１９回： 半導体産業の微細化と水平分業化（番外編）～先端ロジック半導体の起源と定義と種類～