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コンピュータ工学（CE、[ a ] CoE、CpE、またはCompE ）は、コンピュータのハードウェアとソフトウェアの開発を専門とする工学の一分野です。[ 1 ] [ 2 ]
コンピュータ工学は、電気工学、電子工学、コンピュータ科学の複数の分野を統合したものです。大学によっては、コンピュータ工学を電気・コンピュータ工学、あるいはコンピュータ科学・工学と呼ぶ場合もあります。
コンピュータエンジニアは、ハードウェアとソフトウェアの統合、ソフトウェア設計、ソフトウェアエンジニアリングのトレーニングを受ける必要があります。これには、電磁気学、人工知能 (AI)、ロボット工学、コンピュータネットワーク、コンピュータアーキテクチャ、オペレーティングシステムなどの分野が含まれます。コンピュータエンジニアは、個々のマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、パーソナルコンピュータ、スーパーコンピュータの設計から回路設計まで、コンピューティングのハードウェアとソフトウェアの多くの側面に関わっています。このエンジニアリング分野は、コンピュータシステム自体がどのように動作するかだけでなく、それらをより大きな全体像にどのように統合するかにも焦点を当てています。[ 3 ]
コンピュータ工学は、1939年にジョン・ヴィンセント・アタナソフとクリフォード・ベリーが物理学、数学、電気工学を通して世界初の電子デジタルコンピュータの開発を始めたことから始まった。ジョン・ヴィンセント・アタナソフはかつてアイオワ州立大学の物理学と数学の教師であり、クリフォード・ベリーは電気工学と物理学の卒業生だった。彼らは協力して、ABCとしても知られるアタナソフ・ベリー・コンピュータを作り、完成までに5年を要した。 [ 4 ] オリジナルのABCは1940年代に解体され廃棄されたが、故発明家たちに敬意を表して、1997年にABCのレプリカが作られた。これは研究者とエンジニアのチームが4年と35万ドルをかけて作ったものである。[ 5 ]
現代のパーソナルコンピュータは、半導体技術における数々の画期的な進歩を経て、1970年代に登場した。これらには、1947年にベル研究所のウィリアム・ショックレー、ジョン・バーディーン、ウォルター・ブラッテンによって開発された最初の動作トランジスタ[ 6 ]、1955年にカール・フロッシュとリンカーン・デリックによって開発された二酸化ケイ素表面パッシベーション[ 7 ]、1957年にフロッシュとデリックによって開発された最初の平面二酸化ケイ素トランジスタ[ 8 ]、ジャン・ホーニによる平面プロセス[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]、1959年にフェアチャイルド・セミコンダクターのロバート・ノイスによって開発されたモノリシック集積回路チップ[ 12 ] 、 1960年にベル研究所のチームによって実証された金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET、またはMOSトランジスタ）[ 13 ]、そして1971年にインテルのフェデリコ・ファギン、マルシアン・ホフ、島正敏、スタンレー・マゾールによって開発されたシングルチップマイクロプロセッサ（Intel 4004）[ 14 ]
米国で最初のコンピュータ工学の学位プログラムは、1971年にオハイオ州クリーブランドのケース・ウェスタン・リザーブ大学に設立された。[ 15 ] 2015年現在米国には250 のABET認定コンピュータ工学プログラムがありました[ 16 ]ヨーロッパでは、コンピュータ工学学校の認定は、 EQANIEネットワークの一部としてさまざまな機関によって行われています。 ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアを同時に設計し、産業界で使用されるあらゆる形態のコンピュータシステムを管理できるエンジニアに対する求人要件が高まっているため、世界中のいくつかの高等教育機関では、一般的にコンピュータ工学と呼ばれる学士号を提供しています。 コンピュータ工学と電子工学のプログラムの両方で、カリキュラムにアナログ回路とデジタル回路の設計が含まれています。 ほとんどの工学分野と同様に、コンピュータエンジニアには数学と科学の確かな知識が必要です。
コンピュータ工学は、一部の大学ではコンピュータ科学および工学と呼ばれています。ほとんどの初級レベルのコンピュータ工学の仕事には、コンピュータ工学、電気工学、またはコンピュータ科学の学士号が最低限必要です。通常、微積分、線形代数、微分方程式などの数学とコンピュータ科学を学ぶ必要があります。[ 17 ]電子工学または電気工学の学位も、2つの分野の類似性から十分です。ハードウェアエンジニアは一般的にコンピュータソフトウェアシステムを扱うため、コンピュータプログラミングの強力なバックグラウンドが必要です。BLSによると、「コンピュータ工学専攻は電気工学に似ていますが、カリキュラムにいくつかのコンピュータ科学のコースが追加されています」。[ 18 ]大企業や専門的な仕事の中には、修士号を必要とするものもあります。
多くの高等教育機関では、コンピュータの設計と応用で使用される知識の全範囲が学部課程の範囲を超えているため、コンピュータ工学の学生は3年次と4年次に深く研究する分野を選択することが許可されています。他の教育機関では、コンピュータ工学を主専攻と宣言する前に、工学部の学生に1年または2年間の一般工学を修了することを要求する場合があります。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]
コンピュータエンジニアにとって、技術の急速な進歩に追いつくことも重要です。そのため、多くの人がキャリアを通じて学習を続けています。これは、特に新しいスキルを習得したり、既存のスキルを向上させたりする際に役立ちます。たとえば、バグを修正する相対的なコストはソフトウェア開発サイクルの進行度が進むにつれて増加するため、プロセスの中でできるだけ早く、特にリリース前に、高品質のコードを開発およびテストすることで、より大きなコスト削減につながる可能性があります。[ 23 ]
コンピュータ工学には、ハードウェアとソフトウェアという2つの主要な焦点がある。
米国労働統計局（BLS）によると、コンピュータ ハードウェア エンジニアの現在の雇用見通しでは、2024 年～ 2034 年までの 10 年間の成長率は 7% と予想されており、これは主に退職または他の分野に転職する既存のエンジニアを補充するためです。[ 24 ]しかし、2019 年～ 2029 年のコンピュータ ハードウェア エンジニアリングの推定成長率は 2% で、合計 71,100 人の雇用でした。（他の職業と比較すると、彼ら自身の言葉では「平均より遅い」）。 [ 25 ] [ 26 ]これは、2014 年～ 2024 年の BLS のコンピュータ ハードウェア エンジニアリングの推定成長率 3% で、合計 77,700 人の雇用から減少しています。また、2012 年～ 2022 年の BLS の推定成長率 7% から低下しており、2010 年～ 2020 年の BLS の推定成長率 9% からさらに低下しています。「[ 25 ]今日、コンピュータハードウェアは電子工学およびコンピュータ工学（ECE）とほぼ同等であり、多くのサブカテゴリに分かれており、最も重要なのは組み込みシステム設計である。[ 18 ]
米国労働統計局（BLS）によると、「コンピュータアプリケーションソフトウェアエンジニアとコンピュータシステムソフトウェアエンジニアは、退職者や離職者の補充を主な理由として、平均を上回る成長率を示す職業の一つになると予測されている」[ 27 ] 。 2025年までの10年間の成長予測は、コンピュータ ソフトウェア エンジニアリングの雇用は推定 17% で、同年には合計 1,114,000 人の雇用がありました。[ 28 ]これは、ソフトウェア開発者の 2012 年から 2022 年までの BLS の推定値 22% を下回っています。[ 29 ] [ 28 ]また、2010 年から 2020 年までの BLS の推定値 30% からもさらに下回っています。[ 30 ]さらに、サイバー セキュリティに対する懸念の高まりにより、コンピュータ ソフトウェア エンジニアリングは、すべての分野の平均増加率を大きく上回っています。ただし、一部の作業は海外にアウトソーシングされます。[ 31 ]このため、米国のコンピュータ ソフトウェア エンジニアに提供されていた仕事が、インドなどの国のコンピュータ ソフトウェア エンジニアに提供されるため、雇用の伸びは過去 10 年ほど速くはありません。[ 32 ]さらに、BLS のコンピュータ プログラマーの雇用見通しは、2014～24 年で -8% (同機関の言葉で減少)、[ 32 ] 2019～29 年で -9% (減少)、[ 33 ] 2021～2031 年で 10% 減少 [ 33 ]、そしてコンピュータ アプリケーション開発者ではないコンピュータ プログラマー (組み込みシステムなど) については、2022～2032年で11 % 減少[ 33 ]となっています。 [ 34 ] [ 35 ]さらに、ソフトウェア分野の女性は、他のエンジニアリング分野よりもさらに速いペースで年々減少しています。[ 36 ]
コンピュータ工学の分野には、多くの専門分野が存在する。
プロセッサの設計プロセスでは、命令セットと特定の実行パラダイム（VLIWやRISCなど）を選択し、マイクロアーキテクチャを作成します。マイクロアーキテクチャは、 VHDLやVerilogなどで記述できます。CPUの設計は、データパス（ ALUやパイプラインなど）、制御ユニット（データパスを制御するロジック）、メモリコンポーネント（レジスタファイル、キャッシュなど）、クロック回路（クロックドライバ、PLL、クロック分配ネットワーク、パッドトランシーバ回路など）、ロジックを実装するために使用されるロジックゲートセルライブラリといったコンポーネントの設計に分かれています。
コンピュータエンジニアは、コーディング、応用暗号、情報保護の分野で、デジタル画像や音楽などのさまざまな情報、断片化、著作権侵害、その他の改ざんから保護するための新しい方法を開発しています。たとえば、デジタル透かしなどです。[ 37 ]
通信と無線ネットワークに焦点を当てた研究、電気通信システムとネットワーク（特に無線ネットワーク）の進歩、変調と誤り制御符号化、および情報理論。高速ネットワーク設計、干渉抑制と変調、耐障害性システムの設計と分析、ストレージと伝送方式はすべてこの専門分野の一部である。[ 37 ]
この専門分野は、コンパイラとオペレーティングシステムの設計と開発に重点を置いています。この分野のエンジニアは、新しいオペレーティングシステムアーキテクチャ、プログラム解析技術、および品質を保証するための新しい技術を開発します。この分野の仕事の例としては、リンク後のコード変換アルゴリズムの開発や新しいオペレーティングシステムの開発などがあります。[ 37 ]
この専門分野では、エンジニアはコンピューティング、通信、情報アクセスのための統合環境を構築します。例としては、共有チャネル無線ネットワーク、さまざまなシステムにおける適応型リソース管理、モバイルおよびATM環境におけるサービス品質の向上などが挙げられます。その他の例としては、無線ネットワークシステムや高速イーサネットクラスタ有線システムに関する研究などがあります。[ 37 ]
コンピュータシステム分野のエンジニアは、信頼性が高く、安全で、高性能なコンピュータシステムを実現するための研究プロジェクトに取り組んでいます。マルチスレッドや並列処理用のプロセッサの設計などのプロジェクトもこの分野に含まれます。この分野のその他の例としては、コンピュータシステムのパフォーマンスを向上させる新しい理論、アルゴリズム、その他のツールの開発などが挙げられます。[ 37 ]
この専門分野では、コンピュータエンジニアは、環境を感知し、環境を表現し、環境を操作するための視覚センシング技術の開発に重点を置いています。収集された3次元情報は、さまざまなタスクを実行するために実装されます。これには、改良された人間モデル、画像通信、ヒューマンコンピュータインターフェース、および多用途のビジョンセンサーを備えた特殊用途カメラなどのデバイスが含まれます。[ 37 ]
この分野で働く人々は、システムの速度、信頼性、およびパフォーマンスを向上させるための技術を設計します。組み込みシステムは、小型FMラジオからスペースシャトルまで、多くの機器に搭載されています。スローン・コーナーストーン・キャリアセンターによると、組み込みシステムの継続的な開発には、「捜索救助を行うための自動車両および機器、自動輸送システム、宇宙空間での機器修理のための人間とロボットの協調」が含まれます。 [ 37 ] 2018年現在コンピュータ組み込みシステムの専門分野には、システムオンチップ設計、エッジコンピューティングのアーキテクチャ、モノのインターネットなどが含まれます。
このコンピュータ工学の専門分野では、電子工学と電気システムに関する十分な知識が求められます。この分野で働くエンジニアは、次世代の超大規模集積回路（VLSI）回路とマイクロシステムの速度、信頼性、エネルギー効率の向上に取り組んでいます。この専門分野の一例として、VLSIアルゴリズムとアーキテクチャの消費電力削減に関する研究が挙げられます。[ 37 ]
この分野のコンピュータエンジニアは、音声認識や音声合成、医療や科学画像処理、通信システムなど、人間とコンピュータのインタラクションの改善に取り組んでいます。この分野のその他の研究には、人間の顔の特徴認識などのコンピュータビジョン開発が含まれます。[ 37 ]
この分野では、重ね合わせ、干渉、量子もつれといった微粒子の量子的な振る舞いを古典コンピュータと統合することで、複雑な問題を解決し、アルゴリズムをより効率的に構築します。研究者は、量子暗号、物理シミュレーション、量子アルゴリズムといった分野に注力しています。
{{cite book}}: CS1メンテナンス: DOIは2025年7月現在非アクティブです（リンク）コンピュータ システム エンジニアリングは、従来、電子工学 (EE) とコンピュータ サイエンス (CS) の両方の組み合わせとして見なされてきました。
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