はじめに

前回は、トランジスタがどのように集まって集積回路（IC）となり、論理回路やプロセッサを構成しているかを学びました。
今回は、その回路が 「どうやって時間的に動くのか？」 という観点から、記憶素子（フリップフロップ） と クロック信号 の役割に注目します。

記憶素子とは？

論理回路は「0」か「1」を扱うものですが、その情報を一時的に保持する装置が必要になります。
これが「記憶素子（memory element）」です。

フリップフロップ（Flip-Flop）

基本的な記憶素子で、1 ビットの情報を保持できる装置です。

代表例：

• SR フリップフロップ：Set と Reset で状態を保持／初期化
• D フリップフロップ：1 つの入力 D をクロックタイミングで記憶する

$Q_{next} = D \quad \text{（クロックの立ち上がりで）}$

つまり、クロックのタイミングで情報を 1 ビットずつ保持・更新します。

クロックとは？

クロック（clock）とは、論理回路の動作のタイミングを制御するための周期的な信号です。

• デジタル回路はクロックが"カチッ、カチッ"と進むたびに動作する
• 高速な CPU では、クロック周波数が数 GHz（1 秒間に 10 億回以上）にもなる

クロックによって：

• データの入力・処理・出力のタイミングが揃う
• 順序制御（シーケンシャル）な動作が実現

記憶素子とクロックの連携

• フリップフロップはクロックとともに情報を更新
• これにより、状態遷移やカウンタ、レジスタといった構造が作られる

この仕組みによって、コンピュータの「演算」「記憶」「制御」が実現しています。

たとえば：

• レジスタ → 一時的にデータを保持
• プログラムカウンタ → 次に実行する命令の位置を記憶
• 状態遷移回路 → ゲーム機のキャラクターや信号機の動作

クロックの分配と消費電力

クロックは回路全体に信号を配る必要があるため、

• 消費電力のかなりの部分を占める
• 高速化するほど電力が増える（高周波駆動）

このため、省電力設計では：

• クロックゲーティング
• クロックドメインの分離

といった技術が使われます。

まとめ

• 記憶素子（フリップフロップ）は、1 ビットの情報を保持する基本装置
• クロック信号によって、論理回路は時間的に動作する
• フリップフロップとクロックの連携が、状態遷移・制御・演算の基盤
• クロックは高速動作とともに電力消費の要因にもなる

次回は、メモリ（RAM・ROM など）の構造と動作原理について解説していきます。