CPU（コンピューター・プロセッサー）の選び方
一般的なデスクトップPCであれ、産業用コンピューターであれ、まず考慮すべきことの1つは、PCに搭載するプロセッサーです。多くの場合、人々は実際にその処理能力を必要とするか、使用するかを考えずに、コンピューターに最も強力なプロセッサーを求めたがります。とは言うものの、最も強力なプロセッサーを求める前に、より強力なプロセッサーのコストと、そのプロセッサーを動かすのに必要なエネルギーを考慮すべきです。数百または数千のシステムを展開する場合、エネルギーコストは極めて重要になるため、コンピューターを購入する前に考慮すべきことです。ゲーマーで強力なプロセッサーを購入したいのであれば、パフォーマンスの恩恵を受けられる可能性が高いので、ぜひそうしてください。しかし、環境的な課題を伴うミッションクリティカルな展開に組み込まれる組み込みコンピューティングソリューションを構成しようとしているのであれば、CPUのTDPに焦点を当てるべきです。TDPはワットで表示されます（7W、15W、25W、35W、65W、95Wなど）。TDP（熱設計電力）は、CPU（中央処理装置）やその他の半導体デバイスにとって重要な仕様です。TDPは、重く持続的な負荷の下でCPUが生成すると予想される最大熱量を表します。ワット（W）で測定され、いくつかの重要な目的を果たします。熱管理、電源およびマザーボードの選択、システムの信頼性、パフォーマンス対効率、冷却ソリューションです。
- 熱管理: TDPは、コンピューターの冷却システムを設計するための重要な要素です。CPUの温度を安全な範囲内に保つために必要なヒートシンク、ファン、または液冷ソリューションのサイズと種類を決定するのに役立ちます。
- 電源とマザーボードの選択: TDP定格は、適切な電源ユニット（PSU）とマザーボードを選択するために不可欠です。TDPが高いCPUは通常、より強力なPSUと、システムの全体的な消費電力をサポートできる堅牢な電力供給システムを備えたマザーボードを必要とします。
- システムの信頼性: 過度の熱は、CPUの性能と寿命を低下させる可能性があります。TDPは、システムビルダーがCPUを熱限界内で動作させ、システムの信頼性に貢献するためのガイドラインを提供します。
- 性能対効率: TDPは、CPUの性能と消費電力のバランスを理解するために消費者に利用されます。TDPが低いCPUは通常、電力効率が高いですが、性能が多少犠牲になる場合があります。一方、TDPが高いCPUは性能が高いですが、より多くの電力を消費し、より多くの熱を生成する可能性があります。
- 冷却ソリューション: ヒートシンクやファンなどの冷却ソリューションのメーカーは、TDP定格を使用して、さまざまなCPUに適した製品を設計および販売しています。
TDPはCPUの消費電力を直接測定するものではなく、発熱量を測定するものであることに注意することが重要です。CPUの実際の電力消費は、ワークロード、クロック速度、電力管理機能によって異なります。したがって、TDPは有用な基本ガイドラインとして機能しますが、すべての条件下でのCPUのエネルギー効率や消費電力を正確に推定するものではありません。
プロセッサーパワーと消費電力
デスクトップコンピューターまたは産業用コンピューティングソリューション用のCPUを選択する際には、プロセッサーパワーとプロセッサー消費電力に注意する必要があります。これらは非常に似た言葉に聞こえますが、それぞれ異なる意味を持つ2つの非常に異なる用語です。プロセッサーパワーは通常GHzで提供されます。たとえば、プロセッサーは3.5GHz、4.0GHzなどと表示されます。一方、CPUの消費電力はTDP（熱設計電力）で定義され、CPUなどのコンピューターチップがワットで消費できる最大熱量を提供します。また、PCの消費電力も提供します。
一般的に、TDPが高いほど、プロセッサーの性能は向上します。多くのゲーミングPCやハイエンドPCでは、高いTDPを持つCPUが搭載されています。しかし、Premioが提供するような組み込みコンピューティングソリューションは、ファンレスで受動的に冷却され、広範囲の動作温度などの環境的な課題に対応できるように設計されているため、通常は低TDP CPU (35W)で構成されています。主要な設計原則として、PCの受動冷却は、発熱する電子機器からの堅牢な熱放散が必要なため、低TDPプロセッサーでのみ機能します。より強力でTDPの高いプロセッサーは、受動ヒートシンクだけではすべての熱を放散するのに十分ではないため、熱循環を調整するために物理ファンによるアクティブな空冷を必要とすることがよくあります。プロセッサーのTDPが高ければ高いほど、より多くの電力を消費することになり、結果的にPCを稼働させるためのエネルギーコストがより多くかかります。
産業用および組み込みコンピューターに最適なプロセッサー
たとえば、キオスク端末や産業環境におけるIoTゲートウェイの電源供給など、産業用途でPCを導入する場合を考えてみましょう。これらの多くの場合、現在市販されている最も強力なプロセッサーは必要ないでしょう。むしろ、信頼性が高く、繰り返しタスクを効率的に確実に実行できるプロセッサーが必要です。高すぎるプロセッサーを購入すると、その可能性を最大限に引き出すことができないため、お金を無駄にすることになります。反対に、必要な電力よりも低いプロセッサーを選択すべきではありません。
プロセッサーをケチることは、オーバーパワーのプロセッサーを買うよりもはるかに悪いことです。なぜなら、システムが故障することなく、信頼性高くスムーズに機能することを望むからです。アプリケーションが必要とする電力よりも低い電力でシステムを構成すると、システムの動作が不十分になり、動作が遅くなったり、クラッシュしたり、熱スロットリングが発生したりします。これらすべての要因は、ビジネスの通常の流れを簡単に妨げる可能性があります。
産業用および組み込みコンピューター向けの低電力プロセッサー
低電力の組み込みコンピューティングソリューションの世界では、ファンレス産業用コンピューターのように、理想的なプロセッサーは、性能、電力効率、および組み込みシステムの特定の要件との互換性のバランスを取る必要があります。IntelやAMDのような主要な半導体企業は、高性能および低電力組み込みコンピューティングの両方に対応する幅広いプロセッサーポートフォリオを設計し、提供します。これらのプロセッサーの多様性により、PremioのようなOEMは、特定のアプリケーションおよび展開に最適な性能を評価できます。
Premioのコンピューティングエンジニアが次の組み込みコンピューティングソリューション用のプロセッサーを選択する際には、特定の産業アプリケーションにとって最もミッションクリティカルな信頼性とパフォーマンスを提供する適切なCPUを確保するために、いくつかの重要な要素が考慮されます。これらの要素は以下の通りです。
アーキテクチャの選択
アプリケーションに応じて、ARMベース、x86ベース、またはその他のアーキテクチャから選択します。ARMプロセッサーは、エネルギー効率の高い設計のため、低電力組み込みアプリケーションで一般的に使用されますが、x86プロセッサーは、IIoTおよびエッジAIの新しいユースケース向けに低TDPプロセッサーを提供します。
電力効率
熱設計電力（TDP）または消費電力が低いプロセッサー。Cortex-AやCortex-Mファミリーなど、ARMアーキテクチャに基づくプロセッサーは、その電力効率で知られています。x86アーキテクチャのプロセッサーでは、Intel（ATOM）とAMD（Embedded R & Vシリーズ）が独自の組み込み低TDPプロセッサーラインを提供しており、驚くべき性能と電力効率を実現しています。
性能要件
アプリケーションの性能要件を評価します。低消費電力プロセッサーは通常、高性能のプロセッサーよりも計算能力が劣ります。選択したプロセッサーがアプリケーションの特定の性能要件を満たしていることを確認してください。
周辺機器の統合
GPIO（汎用入出力）、USB、I2C、SPIインターフェースなどの周辺機器が統合されたプロセッサーは、追加のコンポーネントの必要性を減らし、消費電力を最小限に抑えるために考慮されます。
オペレーティングシステムの互換性
当社のエンジニアは、一般的な産業用アプリケーションに必要なオペレーティングシステムまたはリアルタイムオペレーティングシステム（RTOS）と互換性のあるプロセッサーを慎重に選択します。たとえば、Microsoft Windows IoTには、IoTデバイスおよびコンピューティングソリューション向けに設計されたLTSC（長期サービスチャネル）バージョンがあります。各特定のCPUは、エントリ、バリュー、またはハイエンドのWindows IoTバージョンと互換性がある必要があります。
長寿命と入手可能性
組み込みシステムは、多くの場合、長寿命です。メーカーから長期的な可用性とサポートが提供されるプロセッサーは、供給と更新の継続性を確保するために重要です。たとえば、IntelとAMDの両社は、特定のモデルについて最大10〜15年間の組み込み長期サポートを提供しています。
カスタマイズ
一部のプロセッサーでは、コア、クロック速度、電力プロファイルのカスタマイズが可能です。これは、プロセッサーを特定のニーズに合わせて調整する上で貴重です。
セキュリティ機能
アプリケーションによっては、機密データの紛失や盗難から保護するために、ハードウェア暗号化やセキュアブート機能などの組み込みセキュリティ機能を備えたプロセッサーが必要になる場合があります。
フォームファクターとパッケージング
一部の組み込みプロセッサーは、コンパクトで堅牢な環境向けに設計されており、スペースが限られている特定のアプリケーションでは有利になる場合があります。たとえば、ソケットタイプのCPUは追加の冷却が必要ですが、BGAタイプの半田付けCPUは消費電力が少なく、最小限の冷却しか必要としません。
エコシステムと開発ツール
ソフトウェア開発を容易にするため、選択したプロセッサに対応した開発ツール、コンパイラ、ライブラリからなる堅牢なエコシステムが利用可能であることを確認してください。
コスト
プロセッサのコストと、それがシステム全体の予算に与える影響を考慮してください。性能と機能をコストの制約と両立させましょう。
環境に関する考慮事項
動作環境を考慮してください。組み込みシステムを過酷な環境に展開する場合は、指定された温度範囲内で動作できるプロセッサを探してください。 堅牢化されたコンピューティングソリューションは、過酷な環境条件に対応する信頼性の高い耐熱コンピューターと耐振動コンピューターを提供します。
低消費電力CPUは高消費電力CPUと比較して、どれくらいのコストを節約できるか？
高TDPプロセッサと低TDPプロセッサを選択する際に最初に考慮すべき要素は、プロセッサ自体のコストです。低TDPプロセッサは、通常、ハイエンドモデルの半分のコストであるため、低TDPプロセッサを購入するだけでかなりの金額を節約できます。
次に、プロセッサの電力供給に必要なエネルギーコストを考慮する必要があります。プロセッサの消費電力を計算するための式は次のとおりです。
消費電力コストを計算するため、以下の計算は1キロワットあたり平均13.20ドルの価格を基準としています。この平均値を使用して、次のように計算できます。
- 7W TDP – (7/1000) X .13 X 24 X 365 = 年間8ドル
- 15W TDP – (15/1000) X .13 X 24 X 365 = 年間17ドル
- 25W TDP – (25/1000) X .13 X 24 X 365 = 年間29ドル
- 35W TDP – (35/1000) X .13 X 24 X 365 = 年間40ドル
- 65W TDP – (65/1000) X .13 X 24 X 365 = 年間74ドル
- 95W TDP – (95/1000) X .13 X 24 X 365 = 年間108ドル
- 125W TDP – (125/1000) X .13 X 24 X 365 = 年間142ドル
これらの数字は、プロセッサのTDPが総エネルギーコストにどれほどの違いをもたらすかを示すためのものです。ゲーミングPCでは、年間75ドルから142ドルのエネルギーを消費するi7およびi9プロセッサが搭載されていることがよくあります。とはいえ、産業用コンピューティングソリューションの場合、多くは7Wから35Wの範囲で消費しますが、一部のCPUは65ワットもの電力を消費します。
これらの計算は、1日24時間、週7日稼働するシステムに基づいていることに注意してください。これは、システムが終日、毎日稼働し続ける必要がある産業ワークロードを処理するために展開される産業用コンピューターでは珍しいことではありません。
多くの産業用コンピューティングソリューションを展開する場合、計算はさらに多くのことを明らかにします。たとえば、TDPが15Wの産業用コンピューターを100台展開する場合、すべてのシステムの年間電気料金は合計1,700ドルになります。しかし、より強力な65W TDP CPUを展開する場合、年間電気料金は7,400ドルになります。これにより、低電力の産業用コンピューティングソリューションは、高電力システムよりも年間5,700ドル以上安くなります。
熱とコンピュータプロセッサ
一般的に、プロセッサの性能が高ければ高いほどTDPも高くなり、TDPが高ければ高いほどCPUから発生する熱も多くなります。例えば、ゲーミングPC用に95W TDPのプロセッサを購入した場合、CPUが大量の熱を発生することを覚悟する必要があります。ゲーミングPCを冷却するために、強力な空冷または液冷クーラーを使用して、CPUから熱を逃がし、最適な性能を維持することができます。とはいえ、産業用コンピューティングソリューションの場合、状況は異なります。多くの産業用PCはファンレスで、ヒートシンクを介して受動的に冷却されます。これらは、過酷な環境に展開できる完全に密閉されたシステムを構築するために受動的に冷却されます。TDPが高いものは、単純に熱を発生しすぎるため、ヒートシンクで冷却するには、ファンを使用した能動的な空冷が必要になります。ファンや液冷は、非伝統的で過酷な産業環境には適していません。このような環境では、ほこりやゴミなどの要因が、通気口から侵入するとシステム全体を台無しにしてしまう可能性があります。したがって、組み込みCPUはコンシューマーグレードの部品よりもTDPが低いため、組み込みコンピューティングソリューションに使用されます。たとえば、一部のファンレス産業用コンピューターは、ヒートシンクを介して受動的に冷却される35W TDP CPUや65W TDP CPUを搭載しています。
どのような種類のコンピュータであっても、CPUから効率的に熱を逃がす冷却ソリューションを使用することは必須です。CPUが熱くなりすぎると、サーマルスロットリングが発生し、CPUが損傷しないように性能が低下します。とはいえ、サーマルスロットリングはシステムの性能に深刻な影響を与えます。サーマルスロットリングでCPUを冷却できない場合、CPUはシステム全体をシャットダウンし、多くの企業やユーザーに壊滅的なダウンタイムを引き起こす可能性があります。そのため、システム用のCPUを選択する際には、冷却ソリューションとCPUのTDPを考慮することが重要です。これを無視すると、性能の低下や、さらに悪いことにはシステムの損傷につながる可能性があります。
結論
PC用のCPUを選択する際には、アプリケーションを実行するのに十分な電力を持つプロセッサを選択する必要があります。電力不足のCPUを選択したり、過剰な電力を持つCPUを選択したりすると、長期的には費用がかかる可能性があります。したがって、適切なプロセッサを選択することで、無駄な電力消費をなくし、CPU自体にかかる費用を節約できます。とはいえ、プロセッサのTDPを常に考慮し、システムがサーマルスロットルしたり損傷したりしないように、適切な冷却ソリューションを選択する必要があります。産業用コンピューティングソリューションの選択についてサポートが必要な場合は、当社までお問い合わせください。当社の組み込みコンピューティングの専門家が、お客様の特定の要件を満たすシステムを選択するお手伝いをいたします。
適切なCPUでシステムを構成するサポートが必要な場合は、お問い合わせください。当社のコンピューティング専門家が、お客様の特定の要件を満たすシステムを構築するお手伝いをいたします。