CPU設計とは、コンピュータハードウェア部品であるCPU開発における設計であり、電気工学と計算機工学のサブフィールドである。CPU設計の中心は以下のような部分である。高性能を求められる市場向けのCPU設計では、動作周波数、消費電力、チップ面積の目標を達成するため、これら全てを独自に設計する必要が生じる場合もある。低消費電力を求められる市場向けのCPU設計では、以下のようにして実装負担を減らす場合がある。CPU設計でよく使うロジックスタイルとしては、以下のものがある。ロジックの実装に使うデバイスの種類は以下の通り。CPU設計には、一般に以下のような作業がある。多くの複雑な電子回路設計と同様、論理の検証（設計にバグが含まれていないことの証明）がCPU開発プロジェクトのスケジュール上、重要な位置を占めている。CPUアーキテクチャ上の重要な発明としては、キャッシュメモリ、仮想記憶、パイプライン、スーパースケーラ、CISC、RISC、仮想機械、エミュレータ、マイクロプログラム方式、スタックなどがある。初期のCPUは、人間よりも高速かつ正確に計算を行うことを目標に設計された。その後、CPUは世代毎にそれぞれの目標を達成すべく設計されてきた。CPUコアを再設計してダイサイズを小さくすると、これらの目標のいくつかを達成できる場合がある。CPU性能を測るプログラムはあまりにも多数存在するため、ベンチマークが開発された。最も有名なベンチマークとしてSPECの開発した SPECint および SPECfp と、EEMBC (Embedded Microprocessor Benchmark Consortium) が開発した ConsumerMark がある。また、以下のような測定（尺度）も重要である。これらの一部は共存できない。特にとにかく高速に動作することを目標として設計したCPUでは、「1ワット当たりの性能」や「1円当たりの性能」や「応答時間の保証」などは良くない（逆も同様）。CPUの市場はいくつかある。それぞれの市場がCPUに求めるものは異なるため、ある市場向けに設計したCPUは、他の市場には不適当なことが多い。CPUの収益の大部分は、汎用コンピューティング向けの販売から得られている。すなわち、ビジネスや家庭で使用するパーソナルコンピュータやサーバである。この市場は、インテルのIA-32アーキテクチャの寡占状態にあり、PowerPCやSPARCがだいぶ引き離されてそれに続いている。毎年、数億個のIA-32アーキテクチャのCPUがこの市場向けに販売されている。この市場では、多種多様なプログラムを実行するため、CPU設計に当たっては特定のアプリケーションを想定して設計することはない。なるべく多くのプログラムを効率的に実行でるようにするため、CPU設計には最新技術が使われ、結果としてコストは高くなり、消費電力も大きくなる。新たなハイエンドCPUの開発には、多大なコストを要する。論理的複雑性（論理設計および論理検証に大人数が必要であり、シミュレーションにも多数のコンピュータを利用する）と高い動作周波数（大規模な回路設計チームを必要とし、最新の製造プロセスを利用する必要がある）によって、この種のチップの設計は高くつくことになる。ハイエンドCPUの設計コストは1億ドルのオーダーになる。ハイエンドCPUの設計には約5年を要するため、他社との競争力を維持するには最低でも2つの開発チームを並行して運営する必要がある。例えば、アメリカでのコンピュータ技術者1人を雇用するのにかかるコストは一年で25万ドルと言われている。これには、給料だけでなく、各種手当て、CADツール、コンピュータ、オフィススペースの賃貸料などが含まれる。100人の技術者でCPUを設計し、4年かかるとすると、総コストは1億ドルになる。これは単なる一例である。実際の設計チームは最近では数百人と言われている。2004年現在、最新技術を使った汎用コンピューティング向けCPUを設計しているのは、4社だけになっている（インテル、AMD、IBM、富士通）。モトローラは、金食い虫と化していた半導体部門をフリースケール・セミコンダクタとしてスピンオフさせた。他社からCPU設計を請け負っている企業として、GLOBALFOUNDRIES、テキサス・インスツルメンツ、TSMC、東芝がある。金額的にも出荷台数的にも小さい科学技術計算市場は、研究機関や大学が顧客である。かつてはこの市場向けにCPU設計が盛んに行われていたが、より大きな市場向けに設計したCPUを流用した方が効率的であることから、専用CPUの設計はほとんどなされなくなった。ハードウェア設計や研究が続いている分野としては、高速なシステム間接続に関する分野がある。出荷台数ベースで言えば、CPUのほとんどは各種機械（電話機、時計、航空機、自動車、その他）に組み込まれている。組み込みシステム用プロセッサは汎用プロセッサよりずっと低価格だが、毎年数十億個が販売されている。汎用CPUとの違いは、以下のような点である。組み込みシステムでは、電力消費が重視されるため、高性能は要求されない。このため、プロセッサ全体を論理合成技術で実装することが可能である。その場合、実装に要する期間が短縮され、タイムリーな出荷が可能となる。

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