コンピュータ工学

コンピュータ工学（CoEまたはCpE ）は、コンピュータのハードウェアとソフトウェアの開発に必要な電気工学、電子工学、コンピュータサイエンスのいくつかの分野を統合した電気工学の分野です。^[1]コンピュータ工学は、一部の大学では 電気およびコンピュータ工学またはコンピュータサイエンスと工学と呼ばれています。

コンピュータエンジニアには、電気工学、電子工学、物理学、コンピュータサイエンス、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が必要です。電気工学とコンピュータサイエンスの技術と原理を使用し、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を網羅することができます。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多くのハードウェアとソフトウェアの側面に関与しています。この工学分野は、コンピュータシステム自体の動作方法だけでなく、それらをより大きな絵に統合する方法にも焦点を当てています。^[2]ロボット工学は、コンピュータ工学の応用の1つです。

コンピュータ エンジニアリングは通常、組み込みマイクロコントローラ用のソフトウェアとファームウェアの作成、VLSIチップ、アナログセンサー、ミックス信号回路基板、熱力学、オペレーティング システムの設計などの分野を扱います。コンピュータ エンジニアは、モーター、通信、センサーなどの電気システムを制御および監視するためにデジタル システムを使用することに大きく依存するロボット工学の研究にも適しています。

多くの高等教育機関では、コンピュータ工学の学生は3年生と4年生でより深く学ぶ分野を選択することが認められています。これは、コンピュータの設計と応用に用いられる知識のすべてが学部の学位の範囲を超えているためです。他の教育機関では、工学部の学生がコンピュータ工学を専攻の中心とする前に、1～2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。 ^{[3] [4] [5] [6]}

コンピュータ工学は、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、電気工学を通じて世界初の電子デジタルコンピュータの開発を始めた1939年に始まりました。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で物理学と数学を教えており、クリフォード・ベリーは電気工学と物理学の卒業生でした。彼らは協力して、完成までに5年かかったアタナソフ・ベリー・コンピュータ（ABCとも呼ばれる）を作成しました。^[7] オリジナルのABCは1940年代に解体され廃棄されましたが、今は亡き発明者に敬意を表して、1997年にABCのレプリカが作成されました。研究者とエンジニアのチームが4年の歳月と35万ドルをかけて作成しました。^[8]

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進歩を経て、1970 年代に登場しました。これらには、1947年にベル研究所でウィリアム・ショックレー、ジョン・バーディーン、ウォルター・ブラッテンが開発した世界初の動作するトランジスタ、 ^[9]、1955年にカール・フロッシュとリンカーン・デリックが開発した二酸化ケイ素の表面パッシベーション、^[10]、1957年にフロッシュとデリックが開発した世界初のプレーナ型二酸化ケイ素トランジスタ、[ ^{11] 、}ジャン・ホーニが開発したプレーナプロセス、^{[12] [13] [14]}、1959年にフェアチャイルドセミコンダクターでロバート・ノイスが開発したモノリシック集積回路チップ、 ^[15] 、 1960年にベル研究所のチームが実証し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）[ 16 ^{] 、}インテルでフェデリコ・ファギン、マーシアン・ホフ、嶋正敏、スタンレー・メイザーが1971年に開発したシングルチップマイクロプロセッサ（Intel 4004）が含まれます。 ^[17]

米国で最初のコンピュータエンジニアリング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で設立されました。^[18] 2015年現在、米国には250のABET認定コンピュータエンジニアリングプログラムがありました。 ^{[19]ヨーロッパでは、コンピュータエンジニアリングスクールの認定は、} 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、業界で使用されるあらゆる種類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増えているため、世界中の高等教育機関の中には、一般にコンピュータエンジニアリングと呼ばれる学士号を提供するところもあります。 コンピュータエンジニアリングと電子工学の両方のプログラムには、カリキュラムにアナログおよびデジタル回路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。^{[アップデート]}

コンピュータ工学は、一部の大学ではコンピュータサイエンスやエンジニアリングと呼ばれています。ほとんどのエントリーレベルのコンピュータエンジニアリングの仕事には、少なくともコンピュータエンジニアリング、電気工学、またはコンピュータサイエンスの学士号が必要です。通常、コンピュータサイエンスに加えて、微積分、線形代数、微分方程式などの一連の数学を学ぶ必要があります。^{[20] 2つの分野は似ているため、}電子工学または電気工学の学位でも十分です。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、「コンピュータエンジニアリング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サイエンスのコースが追加されています」。^[21]一部の大企業または専門的な仕事では、修士号が必要です。

コンピュータエンジニアにとって、急速な技術の進歩に遅れずについていくことも重要です。そのため、多くのエンジニアはキャリアを通じて学び続けます。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、ソフトウェア開発サイクルが進むにつれてバグを修正するための相対的なコストが増加するため、プロセスのできるだけ早い段階、特にリリース前に、品質の高いコードの開発とテストを行うことで、より大きなコスト削減が期待できます。^[22]

コンピュータ工学を専門とする人はコンピュータエンジニアと呼ばれます。

コンピュータ エンジニアリングには、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ります。

BLSのジョブ アウトルックによると、コンピューター ハードウェア エンジニアの雇用は、2019 年から 2029 年までの 10 年間で 2% の成長が見込まれ、合計で 71,100 件の雇用が創出される見込みです。(他の職業と比較した場合、BLS 自身の言葉では「平均より遅い」と表現されています)。^[23]これは、2014 年から 2024 年の BLS コンピューター ハードウェア エンジニアリングの推定値である 3% と合計 77,700 件の雇用から減少しています。「また、2012 年から 2022 年の BLS 推定値の 7% から減少しており、2010 年から 2020 年の BLS 推定値の 9% からさらに減少しています。」^[23]現在、コンピューター ハードウェアは、電子工学およびコンピューター工学 (ECE) とほぼ同等であり^{[説明が必要]}、多くのサブカテゴリに分割されていますが、最も重要なのは^{[引用が必要]}組み込みシステム設計です。^[21]

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、平均よりも急速に成長する職業の1つになると予測されています」。 2014年時点でのコンピュータソフトウェアエンジニアリングの予想10年間の成長率^{[アップデート]}は推定17％で、同年には合計1,114,000の雇用がありました。^[24]これは、2012年から2022年のBLS推定値であるソフトウェア開発者の22％から減少しています。^{[25] [24]}そして、2010年から2020年のBLS推定値30％からさらに減少しています。^[26]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全分野の平均増加率を大幅に上回っています。 ただし、一部の作業は海外にアウトソーシングされます。^[27]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割り当てられていた仕事が、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割り当てられるため、雇用の成長は過去10年間ほど速くはありません。^[28]さらに、BLSのコンピュータプログラマーの2014～24年の雇用見通しでは-8%（BLSの言葉を借りれば減少）^[28]、2019～29年の雇用見通しでは-9%（減少）^[29] 、 2021～2031年には10%の減少^[29]、そして2022～2032年には11%の減少^[29]と、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（組み込みシステム）をプログラミングする人々について予測されています。^{[30] [31]}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減少しています。^[32]

コンピュータエンジニアリングは、一般的に大規模な製品開発会社内で実践されており、そのような実践はライセンスの対象ではない場合があります。^{[33] [34]}ただし、コンピュータエンジニアリングを宣伝する独立コンサルタントは、他の形式のエンジニアリングと同様に、プロのエンジニアの実践を適切なライセンスを取得した人だけに制限する州法の対象となる場合があります。^{[35] [36]}全米工学測量試験委員会（NCEES）は、2003年に初めてコンピュータエンジニアリングの原則と実践に関する試験を提供しました^[37]。

コンピュータ工学の分野には多くの専門分野があります。

プロセッサ設計プロセスには、命令セットと特定の実行パラダイム ( VLIWまたはRISCなど) の選択が含まれ、その結果、VHDLやVerilogなどで記述されるマイクロアーキテクチャが作成されます。CPU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)、レジスタ ファイル、キャッシュなどのメモリコンポーネント、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のクロック回路、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 ライブラリなどの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、情報保護の分野で働き、デジタル画像や音楽、断片化、著作権侵害、デジタル透かしなどの改ざんからさまざまな情報を保護する新しい方法を開発しています。^[38]

通信と無線ネットワークに焦点を当てた研究者は、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）、変調と誤り制御符号化、情報理論の進歩に取り組んでいます。高速ネットワーク設計、干渉抑制と変調、フォールトトレラント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す。^[38]

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、プログラム分析技術、品質を保証する新しい技術を開発します。この分野の仕事の例には、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。^[38]

計算科学と工学は比較的新しい分野です。スローンキャリアコーナーストーンセンターによると、この分野で働く人々は「計算手法は、工学、物理科学、社会科学における複雑な数学的問題を定式化し、解決するために適用されます。例としては、航空機の設計、半導体ウェーハ上のナノメートル機能のプラズマ処理、VLSI回路設計、レーダー検出システム、生物学的チャネルを介したイオン輸送などがあります。」^[38]

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あります。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ー有線システムに関する作業などがあります。^[38]

コンピュータシステムに従事するエンジニアは、信頼性、安全性、高性能を備えた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作業例としては、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あります。^[38]

コンピュータ アーキテクチャには、CPU 設計、キャッシュ階層レイアウト、メモリ構成、負荷分散が含まれます。

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、人間のモデリング、画像通信、人間とコンピュータのインターフェースの改善、および多目的視覚センサーを備えた専用カメラなどのデバイスが含まれます。^[38]

この分野で働く人々は、システムの速度、信頼性、パフォーマンスを向上させる技術を設計します。組み込みシステムは、小型のFMラジオからスペースシャトルまで、多くのデバイスに使用されています。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進行中の開発には、「捜索救助を行うための自動車両と機器、自動輸送システム、宇宙での機器修理のための人間とロボットの連携」が含まれます。 ^[38] 2018年現在、コンピューター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^{[アップデート]}が含まれます。

コンピュータ工学のこの専門分野では、電子工学と電気システムに関する十分な知識が必要です。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を削減する研究があります。^[38]

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良に取り組んでいます。この分野のその他の研究には、人間の顔の特徴の認識などのコンピュータビジョンの開発が含まれます。^[38]

この分野では、重ね合わせ、干渉、エンタングルメントなどの小さな粒子の量子挙動を従来のコンピューターと統合して、複雑な問題を解決し、アルゴリズムをより効率的に策定します。個人は、量子暗号、物理シミュレーション、量子アルゴリズムなどの分野に焦点を当てています。

特に若い学生にとって、技術に関する情報や機会を得るためのアクセス可能な手段は、デジタルプラットフォームを通じてであり、最小限のコストで地域の言語で学習、探索、潜在的な収入創出を可能にします。これらはいずれも、エンジニアがいなければ不可能です。^[39]コンピュータエンジニアリングは、インダストリー4.0に伴う変化において重要であり、エンジニアはビッグデータからAIまで、私たちの生活を取り巻く技術の設計と最適化を担っています。彼らの仕事は、グローバルなつながりと知識へのアクセスを容易にするだけでなく、技術が急速に進化し続け、熟練したコンピュータエンジニアの需要が高まる中、私たちの未来を形作る上で極めて重要な役割を果たしています。^{[40]エンジニアリングは、技術からインフラストラクチャまで、私たちの生活のさまざまな側面に影響を与えるデバイスや構造を作成することで、社会の改善に貢献しています。エンジニアはまた、}環境保護や持続可能な開発などの課題に取り組みながら、医療を開発しています。^[41] 2016年の時点で、すべてのBLSエンジニアリングカテゴリの平均年間賃金は91,000ドルを超えていました。もっと高い給与の職種もあり、石油会社で働くエンジニアの給与は最高で12万8000ドル以上だった。その他のトップクラスの職種としては、コンピューターハードウェアエンジニアの11万5080ドル、航空宇宙エンジニアの10万9650ドル、原子力エンジニアの10万2220ドルなどがある。^[42]

• IEEE コンピュータ協会
• 計算機協会

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