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コンピュータハードウェアには、中央処理装置（CPU）、ランダムアクセスメモリ（RAM）、マザーボード、コンピュータデータストレージ、グラフィックカード、サウンドカード、コンピュータケースなどのコンピュータの物理的な部品が含まれます。また、モニター、マウス、キーボード、スピーカーなどの外部デバイスも含まれます。[1] [2]
対照的に、ソフトウェアはハードウェアによって保存および実行できる命令のセットです。ハードウェアは変更に対して硬く、または固定的であるためこのように呼ばれますが、ソフトウェアは変更が容易であるためソフトと呼ばれます。
ハードウェアは通常、ソフトウェアによって指示され、コマンドまたは命令を実行します。ハードウェアとソフトウェアの組み合わせによって、使用可能なコンピューティングシステムが形成されますが、ハードウェアのみのシステムも存在します。
歴史
古代のそろばんよりも複雑な初期の計算装置は、17世紀にさかのぼります。フランスの数学者ブレーズ・パスカルは、加算と減算ができる歯車ベースの装置を設計し、約50機種が販売されました。 1676年までにゴットフリート・ライプニッツは、除算と乗算もできる階段状の計算装置を発明しました。当時の製造上の制限と設計上の欠陥により、ライプニッツの計算装置はあまり機能的ではありませんでしたが、同様の装置（ライプニッツの車輪）は1970年代まで使用され続けました。[3] 19世紀には、イギリス人のチャールズ・バベッジが階差機関を発明しました。これは、天文学的な目的で多項式を計算する機械装置です。 [4]バベッジは、完成しなかった汎用コンピュータも設計しました。設計の多くは初期のコンピュータに組み込まれており、入出力用のパンチカード、メモリ、中央処理装置に類似した演算装置、さらにはアセンブリ言語に似た原始的なプログラミング言語も含まれていました。[5]
1936年、アラン・チューリングは、あらゆるタイプのコンピュータをモデル化する万能チューリングマシンを開発し、決定問題を解くことができるコンピュータはないことを証明した。[6]万能チューリングマシンは、渡されたソフトウェア命令に基づいて、あらゆるチューリングマシン（コンピュータモデル）の動作を模倣できる、プログラム格納型コンピュータの一種であった。コンピュータプログラムの格納は、現代のコンピュータの動作の鍵であり、コンピュータのハードウェアとソフトウェアを結び付けるものである。[7]これより前の19世紀半ばには、数学者ジョージ・ブールがブール代数を発明した。ブール代数は、各命題が真か偽かのいずれかである論理体系である。ブール代数は現在、現代のコンピュータハードウェアを構成するトランジスタやその他の集積回路のコンポーネントをモデル化する回路の基礎となっている。 [8] 1945年、チューリングはコンピュータ（自動計算エンジン）の設計を終えたが、結局作られなかった。[9]
この頃、リレーと真空管の技術的進歩により、最初のコンピュータの製造が可能になりました。[10] バベッジの設計を基に、ベル研究所のジョージ・スティビッツとハーバード大学のハワード・エイケンがリレー式コンピュータを構築し、MARK I を設計しました。[5]また、1945年には、ペンシルバニア大学でENIACプロジェクトに携わっていた数学者のジョン・フォン・ノイマンが、現代のほとんどのコンピュータのテンプレートとなっているフォン・ノイマン・アーキテクチャを考案しました。 [11]フォン・ノイマンの設計は、データとプログラムの両方を保存する集中型メモリ、メモリへの優先アクセスを持つ中央処理装置(CPU)、および入出力 (I/O) ユニットを特徴としていました。フォン・ノイマンはデータ転送に単一のバスを使用していたため、プログラムとデータを隣接して配置することでストレージ問題を解決したが、システムが両方を同時に取得しようとするとフォン・ノイマンボトルネックが発生し、システムのパフォーマンスが低下することがよくあった。 [12]
コンピュータアーキテクチャ
コンピュータアーキテクチャでは、コスト、速度、可用性、エネルギー効率などのさまざまな目標を優先順位付けする必要があります。設計者は、ハードウェア要件と、コンパイラから集積回路設計まで、コンピューティングのさまざまな側面を十分に理解している必要があります。[14]コストは、非常に似た商品を提供する競合他社よりも安く製品を販売しようとするメーカーにとって大きな制約にもなっています。利益率も低下しています。[15]パフォーマンスが向上していない場合でも、製造技術が向上し、品質保証段階で拒否されるコンポーネントが減ったため、コンポーネントのコストは時間の経過とともに低下しています。[16]
命令セットアーキテクチャ
最も一般的な命令セットアーキテクチャ（ISA）は、コンピュータのハードウェアとソフトウェア間のインターフェースであり、1945年にフォン・ノイマンによって考案されたものに基づいています。[17]多くの図ではコンピューティングユニットとI/Oシステムが分離されていますが、通常はハードウェアが共有され、コンピューティングユニット内のビットが、コンピューティングモードかI/Oモードかを示します。[18] ISAの一般的なタイプには、CISC（複合命令セットコンピュータ）、RISC（縮小命令セットコンピュータ）、ベクトル演算、ハイブリッドモードなどがあります。[19] CISCでは、マシンが使用する必要がある命令の数を最小限に抑えるために、より大きな式セットを使用します。[20]一般的に使用される命令はわずかであるという認識に基づいて、RISCでは命令セットを縮小して簡素化し、より多くのレジスタを含めることも可能にします。[21] 1980年代にRISCが発明されて以降、パイプラインとキャッシュを使用して性能を向上させるRISCベースのアーキテクチャがCISCアーキテクチャに取って代わり、特に電力使用量やスペースに制限があるアプリケーション（携帯電話など）で顕著になりました。1986年から2003年にかけて、ハードウェア性能の年間向上率は50％を超え、タブレットや携帯電話などの新しいコンピューティングデバイスの開発が可能になりました。[22]トランジスタの密度とともに、DRAMメモリ、フラッシュ、磁気ディスクストレージも飛躍的に小型化され、安価になりました。21世紀に入ると、向上率は鈍化しました。[23]
21 世紀では、並列処理の利用が進むことで性能が向上してきました。[24]アプリケーションは、多くの場合、2 つの方法で並列化できます。つまり、同じ関数を複数のデータ領域で実行するか (データ並列処理)、または異なるタスクを制限された相互作用で同時に実行します (タスク並列処理)。[25]これらの形式の並列処理は、命令レベルの並列処理(命令パイプラインなど)、ベクトル アーキテクチャ、データ並列処理、スレッドレベルの並列処理、要求レベルの並列処理 (どちらもタスクレベルの並列処理を実装) を実装できるグラフィックス処理ユニット(GPU) など、さまざまなハードウェア戦略によって対応されています。[25]
マイクロアーキテクチャ
マイクロアーキテクチャはコンピュータ構成とも呼ばれ、CPU、メモリ、メモリ相互接続の設計など、高レベルのハードウェアの問題を指します。[26] メモリ階層により、アクセスが速い（そして高価な）メモリはCPUの近くに配置され、大容量ストレージ用の低速で安価なメモリは遠くに配置されます。[27]メモリは通常、プログラムとデータを分離し、攻撃者がプログラムを変更する能力を制限するために分離されています。[28]ほとんどのコンピュータは、オペレーティングシステムを使用して仮想メモリを有限の物理メモリのさまざまな領域にマップし、プログラムのアドレス指定を簡素化するために仮想メモリを使用します。[29]
冷却
コンピュータのプロセッサは熱を発生し、過度の熱はプロセッサのパフォーマンスに影響を与え、コンポーネントを損傷する可能性があります。多くのコンピュータチップは、過熱を避けるために自動的にパフォーマンスを抑制します。また、コンピュータには通常、CPUとGPU用の空冷または液冷装置、RAMなどの他のコンポーネント用のヒートシンクなど、過剰な熱を放散するメカニズムがあります。コンピュータのケースにも、コンピュータからの熱を放散させるために換気装置が付いていることがよくあります。[ 30] データセンターでは通常、センター全体の動作温度を安全に保つために、より高度な冷却ソリューションが使用されます。空冷システムは、小規模または古いデータセンターでより一般的ですが、液冷浸漬（各コンピュータが冷却液に囲まれている）およびダイレクト・ツー・チップ（冷却液が各コンピュータチップに直接送られる）はより高価になる可能性がありますが、より効率的でもあります。[31]ほとんどのコンピュータは、冷却システムよりも強力になるように設計されていますが、持続的な動作が冷却システムの容量を超えることはできません。 [ 32]コンピュータが熱くないときに一時的にパフォーマンスを上げることはできますが（オーバークロック）、[33]ハードウェアを過度の熱から保護するために、システムは自動的にパフォーマンスを低下させたり、必要に応じてプロセッサをシャットダウンしたりします。[32]プロセッサは、非アクティブ時には熱を下げるためにシャットダウンするか、低電力モードに入ります。[34]電力供給と放熱は、ハードウェア設計の最も難しい側面であり、[35] 21世紀初頭以来、より小型で高速なチップの開発を制限する要因となっています。[34]パフォーマンスの向上には、エネルギー使用量と冷却需要の相応の増加が必要です。[36]
コンピュータハードウェアシステムの種類
パソコン
パーソナルコンピュータは、その汎用性と比較的低価格のため、最も一般的なタイプのコンピュータの 1 つです。
- デスクトップ パソコンには、モニター、キーボード、マウス、およびコンピュータ ケースがあります。コンピュータ ケースには、マザーボード、データ保存用の固定または取り外し可能なディスク ドライブ、電源装置が収納されており、モデムやネットワーク インターフェイスなどのその他の周辺機器も収納できます。デスクトップ パソコンの一部のモデルでは、モニターとキーボードがプロセッサや電源装置と同じケースに統合されています。要素を分離することで、ユーザーはコンポーネントを快適かつ見やすい配列に配置できますが、それらの間の電源ケーブルとデータ ケーブルを管理する手間がかかります。
- ラップトップは携帯性を重視して設計されていますが、デスクトップPCと同様に動作します。[37]低電力または小型のコンポーネントを使用しているため、同価格帯のデスクトップコンピュータよりもパフォーマンスが低くなります。[38]ラップトップは、キーボード、ディスプレイ、プロセッサが1つのケースに収められています。ケースの上部カバーに折りたたまれたモニターは、持ち運びの際には閉じることができ、画面とキーボードを保護します。ラップトップには、マウスの代わりにタッチパッドやポインティングスティックが搭載されている場合があります。
- タブレットは、タッチスクリーンを主な入力デバイスとして使用するポータブルコンピュータです。タブレットは一般に、ラップトップよりも軽量で小型です。 [要出典]タブレットの中には、折りたたみ式キーボードが付属していたり、外部キーボードを別個に接続できるものもあります。ラップトップコンピュータの一部のモデルには取り外し可能なキーボードが付属しており、システムをタッチスクリーンタブレットとして構成できます。これらは、「2-in-1 取り外し可能ラップトップ」または「タブレットラップトップハイブリッド」と呼ばれることもあります。[39]
- 携帯電話は、大型コンピュータに比べて機能が少ないものの、バッテリー寿命が長く、軽量に設計されています。アンテナ、マイク、カメラ、GPSデバイス、スピーカーなど、多様なハードウェアアーキテクチャを備えています。電源とデータ接続は携帯電話によって異なります。[40]
大規模コンピュータ
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- メインフレーム コンピュータは、通常、部屋いっぱいに収まるほどの大型のコンピュータで、パーソナル コンピュータの数百倍から数千倍の費用がかかることもあります。政府機関や大企業で大量の計算を実行するように設計されています。
- 1960年代から1970年代にかけて、プロセス制御や実験室自動化などの特定の目的のために、より安価な専用システムを使用する部門が増えていった。ミニコンピュータ、または口語的にはミニは、 1960年代半ばに開発された小型コンピュータの一種であり[41] [42] 、メインフレーム[43]やIBMとその直接の競合他社の中型コンピュータよりもはるかに安価に販売された。
- スーパーコンピュータの価格は数億ドルにもなります。スーパーコンピュータは浮動小数点演算や、完了までに非常に長い時間（数週間など）を要するバッチプログラムの実行でパフォーマンスを最大化することを目的としています。並列プログラム間の通信が必要なため、内部ネットワークの速度を優先する必要があります。[44]
- 倉庫規模のコンピュータは、インターネット経由で提供されるサービスとしてのソフトウェアで流行したクラスターコンピュータの大型版です。倉庫とその中にあるコンピュータのコストは1億ドルを超えるため（コンピュータは数年ごとに交換する必要があります）、その設計は操作あたりのコストと電力使用量を最小限に抑えることを目的としています。SaaS製品では可用性が重要ですが、ソフトウェアはスーパーコンピュータとは異なり、可用性の障害を補うように設計されています。[44]
仮想ハードウェア
仮想ハードウェアはハードウェアの機能を模倣したソフトウェアであり、インフラストラクチャ・アズ・ア・サービス（IaaS）やプラットフォーム・アズ・ア・サービス（PaaS）でよく使用されます。[45]
組み込みシステム
組み込みシステムは、処理能力とコストのばらつきが最も大きく、 0.10ドル未満の8ビットプロセッサから、1秒間に数十億回の演算が可能で100ドルを超えるハイエンドプロセッサまであります。これらのシステムではコストが特に重要であり、設計者はパフォーマンス要件を満たす最も安価なオプションを選択することがよくあります。[46]
コンポーネント
場合
コンピュータケースは、デスクトップコンピュータシステムのほとんどのコンポーネントを囲んでいます。マザーボード、ディスクドライブ、電源などの内部要素を機械的にサポートおよび保護し、内部コンポーネント上の冷却空気の流れを制御および誘導します。ケースは、コンピュータから放射される電磁干渉を制御し、内部部品を静電気放電から保護するシステムの一部でもあります。大型のタワーケースは、複数のディスクドライブやその他の周辺機器のためのスペースを提供し、通常は床に置いて使用しますが、デスクトップケースは拡張スペースが少なくなります。オールインワンスタイルのデザインには、同じケースに組み込まれたビデオディスプレイが含まれます。ポータブルコンピュータやラップトップコンピュータには、ユニットを衝撃から保護するケースが必要です。愛好家は、ケースを色付きのライト、ペイント、またはその他の機能で装飾するケース改造と呼ばれるアクティビティを行う場合があります。
電源
ほとんどのパソコンの電源ユニットはATX規格に準拠しており、電源コンセントから供給される120～277ボルトの交流（AC）を、はるかに低い電圧（通常は12、5、または3.3ボルト）の直流（DC）に変換します。 [47]
マザーボード
マザーボードはコンピュータの主要な部品です。マザーボードは、CPU、RAM、ディスクドライブ（CD、DVD、ハードディスクなど）、およびポートや拡張スロットを介して接続された周辺機器を含むコンピュータの他の部分を接続する集積回路を備えたボードです。コンピュータの集積回路（IC）チップには通常、数十億個の小さな金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）が含まれています。[48]
マザーボードに直接接続されるコンポーネント、またはマザーボードの一部に接続されるコンポーネントには、次のものがあります。
- 少なくとも 1 つのCPU (中央処理装置)。コンピュータを機能させる計算のほとんどを実行します。[49]非公式には、コンピュータの頭脳とも呼ばれます。[50]ランダム アクセス メモリ(RAM)からプログラム命令を受け取り、解釈して処理し、結果を送り返して、関連するコンポーネントが命令を実行できるようにします。CPU はマイクロプロセッサであり、金属酸化物半導体(MOS)集積回路(IC) チップ上に製造されます。通常はヒートシンクとファン、または水冷システムによって冷却されます。最近の CPU の多くには、オンダイグラフィックス プロセッシング ユニット(GPU) が含まれています。CPUのクロック速度は、命令を実行する速度を制御し、GHz 単位で測定されます。一般的な値は 1 GHz から 5 GHz の間です。[要出典]また、並列処理を増やすために、プロセッサにコアを追加して、各コアが独立したプロセッサであるかのように動作させる傾向も高まっています。[50]
- 内部バスはCPUとメインメモリを複数の同時通信用ライン（通常50～100本）で接続し、アドレス指定またはメモリ、データ、コマンドまたは制御用に分かれています。[51]かつてはパラレルバスの方が一般的でしたが、21世紀ではより多くの情報を同じワイヤで送信できるシリアライザを備えたシリアルバスが一般的になっています。 [52]複数のプロセッサを搭載したコンピュータには相互接続バスが必要で、通常はノースブリッジによって管理され、サウスブリッジは低速の周辺機器やI/Oデバイスとの通信を管理します。[53]
- ランダムアクセスメモリ（RAM）。CPUがアクティブにアクセスしているコードとデータを、次にいつ使用されると予想されるかに基づいて階層的に格納します。レジスタはCPUに最も近いですが、容量が非常に限られています。[54] CPUには通常、レジスタよりもはるかに大きい容量を持つキャッシュメモリの複数の領域がありますが、メインメモリよりははるかに小さく、レジスタよりもアクセスが遅いですが、メインメモリよりははるかに高速です。[55]キャッシュは、CPUが必要になる前にデータをプリフェッチすることで、レイテンシを削減します。[55] [56] CPUが必要とするデータがキャッシュにない場合は、メインメモリからアクセスできます。[55] キャッシュメモリは通常SRAMで、メインメモリは通常DRAMです。[27] RAMは揮発性であり、コンピューターの電源を切ると内容が消えてしまいます。[57]
- 永続的なストレージや不揮発性メモリは、通常、メモリよりも容量が大きく安価ですが、アクセスに時間がかかります。歴史的には、このようなストレージはハードドライブの形で提供されていましたが、ソリッドステートドライブ（SSD）は安価になり、はるかに高速になったため、採用が増えています。USBドライブやネットワークまたはクラウドストレージも選択肢です。[58]
- 読み取り専用メモリ（ROM）。コンピュータの電源がオンになったとき、または実行が開始されたときに実行されるBIOSを保存します。このプロセスはブートストラップ、または「ブート」または「ブートアップ」と呼ばれます。[要出典] ROMは通常、特殊な技術を使用して一度だけ書き込むことができる不揮発性BIOSメモリチップです。 [59]
- BIOS (Basic Input Output System)には、ブートファームウェアと電源管理ファームウェアが含まれています。新しいマザーボードでは、BIOS の代わりにUnified Extensible Firmware Interface (UEFI) が使用されています。
- CMOS (補完的 MOS)バッテリーは、BIOS チップ内の日付と時刻用のCMOS メモリに電力を供給します。このバッテリーは、通常、時計用バッテリーです。
- パワーMOSFETは電圧レギュレータモジュール（VRM）を構成し、他のハードウェアコンポーネントが受ける電圧を制御します。[60]
拡張カード
コンピュータにおける拡張カードは、コンピュータのマザーボードまたはバックプレーンの拡張スロットに挿入して、拡張バスを介してコンピュータシステムに機能を追加できるプリント回路基板です。拡張カードを使用すると、マザーボードで提供されていない機能を取得または拡張できます。[要出典]ビデオプロセッサに拡張カードを使用することはかつては一般的でしたが、最近のコンピュータではマザーボードに統合されたGPUが搭載される可能性が高くなっています。[61]
入力/出力
ほとんどのコンピュータには、周辺機器をマザーボードに接続するための外部データバスもあります。最も一般的なのは、ユニバーサルシリアルバス(USB) です。[62]内部バスとは異なり、外部バスはバスコントローラを使用して接続され、周辺機器が CPU とは異なる速度で動作できるようにします。[62] 入力デバイスと出力デバイスは、それぞれ外部からデータを受信したり、データを書き込んだりするために使用されます。一般的な例としては、キーボードとマウス(入力)、ディスプレイとプリンター (出力) などがあります。ネットワークインターフェイスコントローラは、インターネットにアクセスするために使用されます。[63] USB ポートは、接続されたデバイスに電力を供給することもできます。標準の USB は 5 ボルト、最大 500 ミリアンペア (2.5ワット) の電力を供給しますが、追加のピンを備えた電源付き USB ポートでは、より多くの電力 (24 ボルトで最大 6アンペア)を供給できる場合があります。[64]
販売
2023年のコンピュータハードウェアの世界収益は7051.7億ドルに達した。[65]
リサイクル
コンピュータの部品には有害物質が含まれているため、古くて時代遅れの部品をリサイクルする動きが広がっています。[66]コンピュータのハードウェアには、鉛、水銀、ニッケル、カドミウムなどの危険な化学物質が含まれています。EPAによると、これらの電子廃棄物は適切に処分しないと環境に有害な影響を及ぼします。ハードウェアの製造にはエネルギーが必要であり、部品のリサイクルは大気汚染、水質汚染、温室効果ガスの排出を削減します。 [67]許可されていないコンピュータ機器を処分することは、実際には違法です。法律により、政府が承認した施設を通じてコンピュータをリサイクルすることが義務付けられています。コンピュータのリサイクルは、特定の再利用可能な部品を取り外すことで簡単に行うことができます。たとえば、RAM、DVDドライブ、グラフィックカード、ハードドライブまたはSSD、およびその他の同様の取り外し可能な部品を再利用できます。
コンピュータハードウェアに使用されている多くの材料は、将来の製造に使用するためにリサイクルすることができます。コンピュータやその他の電子機器に大量に含まれているスズ、シリコン、鉄、アルミニウム、さまざまなプラスチックを再利用すると、新しいシステムを構築するコストを削減できます。コンポーネントには、銅、金、タンタル、[68] [69] 銀、プラチナ、パラジウム、鉛、およびその他の再生に適した貴重な材料が含まれていることがよくあります。[70] [71]
有毒なコンピュータ部品
中央処理装置には多くの有毒物質が含まれています。金属板には鉛とクロムが含まれています。抵抗器、半導体、赤外線検出器、安定器、ケーブル、ワイヤーにはカドミウムが含まれています。コンピューターの回路基板には水銀とクロムが含まれています。[72]これらの種類の材料や化学物質が不適切に廃棄されると、環境に有害になります。
環境への影響
電子廃棄物の副産物が地下水に浸出したり、焼却されたり、リサイクル中に不適切に扱われたりすると、害を及ぼします。そのような毒素に関連する健康問題には、精神発達障害、癌、肺、肝臓、腎臓の損傷などがあります。[73]コンピューターの部品には、ダイオキシン、ポリ塩化ビフェニル（PCB）、カドミウム、クロム、放射性同位元素、水銀など、多くの有毒物質が含まれています。回路基板には、地下水に浸出したり、焼却により大気汚染を引き起こしたりする可能性が高い鉛スズはんだが大量に含まれています。 [74]
コンピュータハードウェアのリサイクルは、重金属や発がん性物質などの有害廃棄物が大気中や埋立地、水路に流れ込むのを防ぐため、環境に優しいと考えられています。電子機器は発生する廃棄物全体のごく一部を占めるに過ぎませんが、はるかに危険です。家電製品の持続可能な廃棄を強制し、奨励するために制定された厳格な法律があり、最も有名なのは欧州連合の電気電子機器廃棄物指令と米国の国家コンピュータリサイクル法です。[75]
コンピュータハードウェアの廃棄物を最小限に抑える取り組み
「E-サイクリング」とは、コンピューターハードウェアのリサイクルであり、使用済み電子機器の寄付、再利用、破砕、および一般的な収集を指します。一般的に、この用語は、使用済みまたは廃棄された電子機器に含まれる部品または金属、つまり電子廃棄物（E-waste）を収集、仲介、分解、修理、およびリサイクルするプロセスを指します。「E-サイクリング可能な」アイテムには、テレビ、コンピューター、電子レンジ、掃除機、電話、携帯電話、ステレオ、VCR、DVDなど、コード、ライト、または何らかのバッテリーを備えたほぼすべてのものが含まれますが、これらに限定されません。[76]
DellやAppleなどの企業は、自社製または他社製のコンピュータをリサイクルします。または、病院、学校、大学などの古いコンピュータをリサイクルして再生する組織であるComputer Aid Internationalにコンピュータを寄付することもできます。 [77]
参照
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出典
- Blum, Edward K. (2011)。『コンピュータサイエンス：ハードウェア、ソフトウェア、そしてその中心』Springer Science & Business Media。ISBN 978-1-4614-1168-0。
- ヘネシー、ジョン L.、パターソン、デビッド A. (2011)。コンピュータアーキテクチャ：定量的アプローチ。エルゼビア。ISBN 978-0-12-383873-5。
- Mendelson, Avi (2022)。 「アーキテクチャ」。Anupam Chattopadhyay (編)。コンピュータアーキテクチャハンドブック。Springer Nature。pp. 1–42。doi :10.1007 / 978-981-15-6401-7_1-1。ISBN 978-981-15-6401-7。
- ワン・シュアンバオ・ポール（2021年）。『コンピュータアーキテクチャと組織：基礎とアーキテクチャセキュリティ』。シュプリンガーネイチャー。ISBN 978-981-16-5662-0。
外部リンク
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