コンピューティング

コンピューティングとは、コンピューティング機器を必要とする、コンピューティング機器から恩恵を受ける、またはコンピューティング機器を作成する、あらゆる目標指向の活動です。^{[1]コンピューティングには、}アルゴリズムプロセスの研究と実験、ハードウェアとソフトウェアの開発が含まれます。コンピューティングには、科学的、工学的、数学的、技術的、社会的側面があります。主要なコンピューティング分野には、コンピュータエンジニアリング、コンピュータサイエンス、サイバーセキュリティ、データサイエンス、情報システム、情報技術、ソフトウェアエンジニアリングなどがあります。^[2]

コンピューティングという用語は、計数や計算と同義です。以前は、機械的な計算機によって実行される動作を指して使用され、それ以前は、人間のコンピューターを指していました。^[3]

歴史

コンピューティングの歴史は、コンピューティングハードウェアの歴史よりも長く、表の助けを借りて、または借りずに、ペンと紙 (またはチョークと石板) で計算する方法の歴史も含まれています。コンピューティングは数字の表現と密接に結びついていますが、計算に必要な数学的概念は数字システムより前から存在していました。計算に使用された最も古いツールはそろばんで、紀元前 2700 年から 2300 年頃にバビロンで発明されたと考えられています。より現代的なデザインのそろばんは、今日でも計算ツールとして使用されています。

コンピューティングにおけるデジタルエレクトロニクスの使用に関する最初の記録された提案は、1931年のCEウィンウィリアムズによる論文「物理現象の高速自動カウントのためのサイラトロンの使用」でした。^{[4]その後、} クロードシャノンの1938年の論文「リレーおよびスイッチング回路の記号分析」で、ブール代数演算にエレクトロニクスを使用するというアイデアが紹介されました。

電界効果トランジスタの概念は、1925年にジュリアス・エドガー・リリエンフェルトによって提唱されました。ベル研究所でウィリアム・ショックレーのもとで働いていたジョン・バーディーンおよびウォルター・ブラッテンは、 1947年に最初の実用的なトランジスタである点接触トランジスタを構築しました。 ^[5]^[6] 1953年にマンチェスター大学は最初のトランジスタコンピュータであるマンチェスターベイビーを構築しました。^[7]しかし、初期の接合型トランジスタは比較的かさばるデバイスであり、大量生産が困難であったため、いくつかの特殊な用途に限定されていました。^[8]

1957年、フロッシュとデリックはベル研究所で最初の二酸化シリコン電界効果トランジスタを製造することに成功した。これはドレインとソースが表面で隣接した最初のトランジスタであった。^[9]その後、 1960年にベル研究所でチームが動作するMOSFETを実証した。 ^[10]^{[11] MOSFETにより}高密度集積回路の構築が可能になり、^[12]^[13]コンピュータ革命^[14]またはマイクロコンピュータ革命と呼ばれる革命につながった。^[15]

コンピューター

コンピュータは、コンピュータプログラムと呼ばれる一連の命令に従ってデータを操作する機械である。^[16]プログラムには、コンピュータが直接命令を実行するために使用できる実行形式があります。同じプログラムを人間が読めるソースコード形式で使用することで、プログラマーはアルゴリズムと呼ばれる一連の手順を研究し、開発することができます。^[17]命令はさまざまな種類のコンピュータで実行できるため、1セットのソース命令はCPUの種類に応じて機械命令に変換されます。^[18]

実行プロセスは、コンピュータプログラム内の命令を実行します。命令は、コンピュータによって実行される計算を表します。命令は、実行マシン上で一連の単純なアクションをトリガーします。これらのアクションは、命令のセマンティクスに従って効果を生み出します。

コンピュータハードウェア

コンピュータハードウェアには、中央処理装置、メモリ、入出力などのコンピュータの物理的な部分が含まれます。^[19] 計算ロジックとコンピュータアーキテクチャは、コンピュータハードウェアの分野における重要なトピックです。^[20]^[21]

コンピュータソフトウェア

コンピュータソフトウェア、または単にソフトウェアは、コンピュータプログラムと関連データの集合であり、コンピュータに指示を与える。ソフトウェアとは、コンピュータのストレージに保存されている1つ以上のコンピュータプログラムとデータを指す。これは、データ処理システムの操作に関係するプログラム、手順、アルゴリズム、およびそのドキュメントのセットである。 ^[要出典]プログラムソフトウェアは、コンピュータハードウェアに直接指示を与えるか、別のソフトウェアへの入力として機能することによって、実装するプログラムの機能を実行します。この用語は、古い用語であるハードウェア（物理デバイスを意味する）と対比するために造られた。ハードウェアとは対照的に、ソフトウェアは無形である。^[22]

ソフトウェアは、アプリケーションソフトウェアのみを意味する、より狭い意味で使用されることもあります。

システムソフトウェア

システムソフトウェアは、コンピュータハードウェアを操作および制御し、アプリケーションソフトウェアを実行するためのプラットフォームを提供するように設計されたコンピュータソフトウェアです。システムソフトウェアには、オペレーティングシステム、ユーティリティソフトウェア、デバイスドライバー、ウィンドウシステム、ファームウェアが含まれます。コンパイラ、リンカー、デバッガーなどのよく使用される開発ツールは、システムソフトウェアに分類されます。^[23] システムソフトウェアとミドルウェアは、コンピュータの機能を管理および統合しますが、通常、アプリケーションソフトウェアとは異なり、ユーザーに利益をもたらすタスクの実行に直接適用することはありません。

アプリケーションソフトウェア

アプリケーションソフトウェアは、アプリケーションまたはアプリとも呼ばれ、ユーザーが特定のタスクを実行できるように設計されたコンピュータソフトウェアです。例としては、エンタープライズソフトウェア、会計ソフトウェア、オフィススイート、グラフィックソフトウェア、メディアプレーヤーなどがあります。多くのアプリケーションプログラムは、主にドキュメントを扱います。^{[24]アプリは、コンピューターとそのシステムソフトウェアに}バンドルされている場合もあれば、個別に公開されている場合もあります。バンドルされたアプリで満足し、追加のアプリケーションをインストールする必要がないユーザーもいます。システムソフトウェアはハードウェアを管理し、アプリケーションにサービスを提供します。アプリケーションはユーザーにサービスを提供します。

アプリケーションソフトウェアは、特定のコンピューティングプラットフォームまたはシステムソフトウェアの能力を特定の目的に応用します。Microsoft Officeなどの一部のアプリは、複数の異なるプラットフォーム向けに複数のバージョンで開発されています。他のアプリは要件が狭く、一般的には実行されるプラットフォームで呼ばれます。たとえば、Windows用の地理アプリケーション、教育用のAndroidアプリケーション、Linuxゲームなどです。1つのプラットフォームでのみ実行され、アプリケーションの人気によりそのプラットフォームの魅力を高めるアプリケーションは、キラーアプリケーションと呼ばれます。^[25]

コンピュータネットワーク

コンピュータネットワークは、単にネットワークと呼ばれることが多く、リソースと情報を共有できる通信チャネルによって相互接続されたハードウェアコンポーネントとコンピュータの集合です。 ^{[26] 1つのデバイス内の少なくとも1つのプロセスが、リモートデバイス内の少なくとも1つのプロセスとデータを送受信できる場合、2つのデバイスはネットワーク内にあると言われます。ネットワークは、データの転送に使用される媒体、使用される}通信プロトコル、規模、トポロジ、組織の範囲など、さまざまな特性に従って分類できます。

通信プロトコルは、コンピュータネットワークで情報を交換するための規則とデータ形式を定義し、ネットワークプログラミングの基礎を提供します。よく知られている通信プロトコルの1つはイーサネットです。これは、ローカルエリアネットワークで広く使用されているハードウェアおよびリンク層の標準です。もう1つの一般的なプロトコルはインターネットプロトコルスイートです。これは、インターネットワーキング、つまり複数のネットワーク間のデータ通信、ホスト間のデータ転送、およびアプリケーション固有のデータ転送形式のための一連のプロトコルを定義します。^[27]

コンピュータネットワーキングは、電気工学、電気通信、コンピュータサイエンス、情報技術、コンピュータエンジニアリングなどの分野の理論的かつ実践的な応用に依存しているため、これらの分野のサブ分野と見なされることがあります。^[28]

インターネット

インターネットは、数十億のユーザーにサービスを提供するために標準のインターネットプロトコルスイート(TCP/IP) を使用する相互接続されたコンピュータネットワークのグローバルシステムです。これには、ローカルからグローバルまでの範囲にわたる、数百万のプライベート、パブリック、学術、ビジネス、および政府のネットワークが含まれます。これらのネットワークは、さまざまな電子、ワイヤレス、および光ネットワーク技術によってリンクされています。インターネットは、ワールドワイドウェブの相互リンクされたハイパーテキストドキュメントや電子メールをサポートするインフラストラクチャなど、幅広い情報リソースとサービスを運びます。^[29]

コンピュータプログラミング

コンピュータプログラミングとは、コンピュータプログラムのソースコードとドキュメントの作成、テスト、デバッグ、保守のプロセスです。このソースコードはプログラミング言語で書かれています。プログラミング言語は自然言語よりも制限が多いことが多い人工言語ですが、コンピュータによって簡単に翻訳できます。プログラミングは、マシンから望ましい動作（カスタマイズ）を呼び出すために使用されます。^[30]

高品質のソースコードを書くには、コンピュータサイエンスの分野とアプリケーションが使用される分野の両方の知識が必要です。したがって、最高品質のソフトウェアは、それぞれが開発の特定の分野の専門家であるドメインエキスパートのチームによって開発されることがよくあります。^{[31]ただし、}プログラマーという用語は、ハッカーからオープンソースの貢献者、プロフェッショナルまで、さまざまなプログラム品質に適用される場合があります。また、新しいキラーアプリケーションを起動するための概念実証を生成するために必要なコンピュータプログラミングのほとんどまたはすべてを、1人のプログラマーが行うことも可能です。^[32]

コンピュータプログラマー

プログラマー、コンピュータプログラマー、またはコーダーは、コンピュータソフトウェアを書く人です。コンピュータプログラマーという用語は、コンピュータプログラミングの1つの分野の専門家、または多くの種類のソフトウェアのコードを書くジェネラリストを指すことがあります。プログラミングに対する正式なアプローチを実践または公言する人は、プログラマアナリストと呼ばれることもあります。^[要出典]プログラマーの主なコンピュータ言語（C、C ++、Java、Lisp、Pythonなど）は、上記のタイトルの前に付けられることが多く、Web環境で働く人は、タイトルの前にWebを付けることがよくあります。プログラマーという用語は、ソフトウェア開発者、ソフトウェアエンジニア、コンピュータサイエンティスト、またはソフトウェアアナリストを指すために使用できます。ただし、これらの専門職のメンバーは通常、プログラミング以外のソフトウェアエンジニアリングスキルも持っています。^[33]

コンピュータ業界

コンピュータ業界は、コンピュータソフトウェアの開発、コンピュータハードウェアとコンピュータネットワークインフラストラクチャの設計、コンピュータコンポーネントの製造、システム管理と保守を含む情報技術サービスの提供に携わる企業で構成されています。^{[引用が必要]}

ソフトウェア業界には、ソフトウェアの開発、保守、公開に携わる企業が含まれます。また、トレーニング、ドキュメント作成、コンサルティングなどのソフトウェアサービスも含まれます。 ^[^要出典^]

コンピューティングのサブ分野

コンピュータ工学

コンピュータ工学は、コンピュータのハードウェアとソフトウェアを開発するために必要な電気工学とコンピュータサイエンスのいくつかの分野を統合した学問です。[34] コンピュータエンジニアは通常、ソフトウェア工学や電子工学だけでなく、電子工学（または電気工学^）、ソフトウェア設計、ハードウェアとソフトウェアの統合の訓練を受けています。コンピュータエンジニアは、個々の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。この工学分野には、独自のドメイン内でのハードウェアの設計だけでなく、ハードウェアとそれが動作するコンテキストとの相互作用も含まれます。^[35]

ソフトウェアエンジニアリング

ソフトウェア工学とは、ソフトウェアの設計、開発、運用、保守に対する体系的かつ規律ある定量化可能なアプローチの適用、およびこれらのアプローチの研究である。つまり、工学をソフトウェアに適用するのである。^[36]^[37]^[38]それは、洞察力を用いて問題の解決策を考案、モデル化、拡張する行為である。この用語が最初に言及されたのは 1968 年のNATO ソフトウェア工学会議であり、当時認識されていたソフトウェア危機に関する思考を喚起することが意図されていた。 ^[39]^[40]^{[41]広く使用されているより一般的な用語である} ソフトウェア開発は、必ずしも工学パラダイムを包含するものではない。工学分野としてのソフトウェア工学の一般に受け入れられている概念は、ソフトウェア工学知識体系ガイド(SWEBOK) で指定されている。SWEBOK は、ISO/IEC TR 19759:2015 で国際的に受け入れられた標準となっている。^[42]

コンピュータサイエンス

コンピュータサイエンスまたはコンピューティングサイエンス（略称CSまたはComp Sci）は、計算とその応用に対する科学的かつ実践的なアプローチです。コンピュータ科学者は、計算の理論と計算システムの設計を専門としています。^[43]

そのサブフィールドは、コンピュータシステムへの実装と応用のための実用的な技術と、純粋に理論的な領域に分けられます。計算上の問題の基本的な特性を研究する計算複雑性理論など、高度に抽象的なものもあれば、コンピュータグラフィックスなど現実世界のアプリケーションを強調するものもあります。また、計算を実装する際の課題に焦点を当てるものもあります。たとえば、プログラミング言語理論は計算の記述に対するアプローチを研究し、コンピュータプログラミングの研究はプログラミング言語と複雑なシステムの使用を調査します。人間とコンピュータの相互作用の分野では、コンピュータと計算を人間にとって有用で、使いやすく、普遍的にアクセス可能にするための課題に焦点を当てています。^[44]

サイバーセキュリティ

サイバーセキュリティの分野は、コンピュータシステムとネットワークの保護に関係しています。これには、情報とデータのプライバシー、 ITサービスの中断の防止、ハードウェア、ソフトウェア、データの盗難や損傷の防止が含まれます。^[45]

データサイエンス

データサイエンスは、データの量と利用可能性の増加に伴い、科学的および計算ツールを使用してデータから情報と洞察を抽出する分野です。^[46] データマイニング、ビッグデータ、統計、機械学習、ディープラーニングはすべてデータサイエンスと密接に絡み合っています。^[47]

情報システム

情報システム（IS）は、人々や組織がデータを収集、フィルタリング、処理、作成、配布するために使用するハードウェアとソフトウェア（情報技術を参照）の補完的なネットワークの研究です。^[48]^[49]^[50] ACMのコンピューティングキャリアでは、ISを次のように説明しています。

「IS [学位] プログラムの大部分はビジネススクールにありますが、経営情報システム、コンピュータ情報システム、ビジネス情報システムなど、さまざまな名前が付けられている場合があります。すべてのIS学位はビジネスとコンピューティングのトピックを組み合わせていますが、技術的問題と組織的問題のどちらに重点を置くかはプログラムによって異なります。たとえば、プログラムによって必要なプログラミングの量が大幅に異なります。」^[51]

ISの研究は、情報と計算の理論的基礎を用いて、コンピュータサイエンスの分野における様々なビジネスモデルや関連するアルゴリズムプロセスを研究することで、ビジネスとコンピュータサイエンスの架け橋となる。 ^[52]^[53]^[54] コンピュータ情報システム（CIS）の分野では、コンピュータとアルゴリズムプロセスを研究し、その原理、ソフトウェアとハードウェアの設計、アプリケーション、社会への影響などを含む。 ^[55]^[56] ISは設計よりも機能性を重視している。^[57]

情報技術

情報技術（IT）とは、コンピュータや通信機器を応用してデータを保存、取得、送信、操作することであり、^[58]多くの場合、ビジネスやその他の企業の文脈で使用されます。[ ^{59]この用語は、通常、コンピュータやコンピュータネットワークの同義語として使用されますが、テレビや電話などの他の情報配信技術も含みます。コンピュータハードウェア、ソフトウェア、}電子機器、半導体、インターネット、通信機器、電子商取引、コンピュータサービスなど、いくつかの業界が情報技術に関連しています。 ^[60]^[61]

研究と新興技術

DNAベースのコンピューティングと量子コンピューティングは、量子アルゴリズムの開発など、コンピューティングハードウェアとソフトウェアの両方で活発に研究されている分野です。将来の技術の潜在的なインフラストラクチャには、フォトリソグラフィーによるDNA折り紙^[62]やイオントラップ間で情報を転送するための量子アンテナなどがあります。^[63] 2011年までに、研究者は14個の量子ビットをエンタングルメントしました。^[64]^[65]ジョセフソン接合と高速単一磁束量子技術に基づくものを含む高速デジタル回路は、ナノスケールの超伝導体の発見により実現に近づいています。^[66]

光ファイバーやフォトニック（光）デバイスは、すでに長距離データ伝送に使用されており、CPUや半導体メモリ部品とともにデータセンターで使用され始めています。これにより、光インターコネクトによってRAMをCPUから分離することができます。^{[67] IBMは、電子情報処理と光情報処理の両方を1つのチップに}統合した集積回路を開発しました。これは、CMOS統合ナノフォトニクス（CINP）と呼ばれています。^[68]光インターコネクトの利点の1つは、以前は特定の種類のシステムオンチップ（SoC）を必要としていたマザーボードが、以前は専用だったメモリとネットワークコントローラーをマザーボードから移動し、コントローラーをラックに分散できることです。これにより、複数のタイプのSoCのバックプレーンインターコネクトとマザーボードを標準化できるため、CPUをよりタイムリーにアップグレードできます。^[69]

もう一つの研究分野はスピントロニクスです。スピントロニクスは熱を蓄積することなく計算能力とストレージを提供することができます。^[70]フォトニクスとスピントロニクスを組み合わせたハイブリッドチップの研究も行われています。 ^[71]^[72]プラズモニクス、フォトニクス、エレクトロニクスを組み合わせる研究も進行中です。 ^[73]

クラウドコンピューティング

クラウドコンピューティングは、サーバーやアプリケーションなどのコンピューティングリソースを、これらのリソースの所有者とエンドユーザーとのやり取りを必要とせずに使用できるようにするモデルです。通常はサービスとして提供され、提供される機能に応じて、 Software as a Service、Platforms as a Service、Infrastructure as a Serviceの例になります。主な特徴には、オンデマンドアクセス、広範なネットワークアクセス、迅速なスケーリング機能などがあります。^{[74]個々のユーザーや中小企業が}規模の経済の恩恵を受けることができます。

この分野で興味深いのは、エネルギー効率の向上の可能性です。数千の計算インスタンスを数千の個別のマシンではなく1台のマシンで実行できるようにすることで、エネルギーを節約できます。また、再生可能エネルギーへの移行も容易になります。再生可能エネルギーで1つのサーバーファームに電力を供給すれば、何百万もの家庭やオフィスに電力を供給しなくても済むからです。^[75]

しかし、この集中型コンピューティングモデルは、特にセキュリティとプライバシーの面でいくつかの課題を抱えています。現在の法律では、企業が企業のサーバー上でユーザーのデータを不適切に扱うことからユーザーを十分に保護していません。これは、クラウドコンピューティングとテクノロジー企業に対するさらなる立法規制の可能性を示唆しています。^[76]

量子コンピューティング

量子コンピューティングは、コンピュータサイエンス、情報理論、量子物理学の分野を統合した研究分野です。情報は物理学の一部であるという考え方は比較的新しいものですが、情報理論と量子力学の間には強い結びつきがあるようです。^[77]従来のコンピューティングは 1 と 0 のバイナリシステムで動作しますが、量子コンピューティングは量子ビットを使用します。量子ビットは重ね合わせ、つまり 1 と 0 の両方の状態を同時に取ることができます。したがって、量子ビットの値は 1 と 0 の間ではなく、測定されたタイミングに応じて変化します。量子ビットのこの特性は量子エンタングルメントとして知られており、量子コンピュータが大規模な計算を実行できるようにする量子コンピューティングの中心的なアイデアです。^{[78]量子コンピューティングは、}分子モデリングなど、従来のコンピュータが必要な計算を行うための計算能力を持たない場合に、科学研究によく使用されます。大きな分子とその反応は従来のコンピュータで計算するには複雑すぎますが、量子コンピュータの計算能力はそのような計算を実行するツールを提供できる可能性があります。^[79]

参照

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