ノイマン型コンピュータとは、プログラムとデータを同じメモリに格納し、CPUが逐次的に読み出して処理を行う現代のコンピュータの基本構造です。AIの急速な発展に伴い、メモリとCPU間のデータ転送がボトルネックとなる課題も浮き彫りになっています。
ノイマン型コンピュータとは
ノイマン型コンピュータとは、プログラムとデータを同一の記憶装置に保存し、CPUが順番に命令を読み出して実行する、現代のデジタルコンピュータの基礎となるアーキテクチャです。
詳しく解説
1945年に数学者のジョン・フォン・ノイマンらによって提唱されました。特徴は、演算装置、制御装置、記憶装置、入力装置、出力装置の5つの基本要素から構成される点です。プログラムをデータと同様にメモリへ格納するため、目的の変更に応じてプログラムを容易に変更できる「プログラム内蔵方式」を実現しました。現代のパソコンやスマートフォンだけでなく、AIを実行するサーバーの多くもこの基本構造をベースにしています。しかし、AIやディープラーニングにおける膨大なデータの並列処理においては、CPUとメモリの間でデータを往復させる時間が処理速度の限界を生むというボトルネックが存在します。
具体例・使われ方
AIの開発や学習を行う一般的なCPUやGPUを搭載したパーソナルコンピュータ、データセンターのサーバーなどは、基本的にノイマン型コンピュータの仕組みをベースに動作しています。
似た用語との違い
プログラムとデータを別のメモリ空間に配置する「ハーバード型アーキテクチャ」とは異なり、ノイマン型は同一のメモリ空間を使用する点で区別されます。また、人間の脳の神経回路を模倣しメモリと演算を一体化させる「ニューロモルフィック・チップ」などの次世代AIプロセッサとも異なるアプローチです。
注意点
AIの計算で頻繁に問題となる「ノイマン・ボトルネック」と呼ばれる現象があります。これは、CPUの演算能力がいくら高くても、メモリとCPUの間でデータを転送する速度が追いつかないために全体の性能が制限されてしまうという課題です。