Loading article…
コンピュータハードウェア（一般的にハードウェアと略される）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 ]
それに対し、ソフトウェアはハードウェアに保存され、実行できる一連の記述された命令である。ハードウェアは変更に対して硬く、融通が利かないことからその名がついたのに対し、ソフトウェアは変更が容易であることから「ソフト」と呼ばれている。
ハードウェアは通常、ソフトウェアによって指示され、あらゆるコマンドや命令を実行します。ハードウェアとソフトウェアの組み合わせによって実用的なコンピューティングシステムが形成されますが、ハードウェアのみで構成されるシステムも存在します。
最も初期の計算装置のいくつかは17世紀に遡ります。たとえば、1642年に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パスカルラインと呼ばれる歯車ベースの装置を設計しました。次に、1676年にゴットフリート・ライプニッツは、除算と乗算もできるステップレコナーを発明しました。当時の製造技術の限界と設計上の欠陥のため、ライプニッツのレコナーはあまり実用的ではありませんでしたが、同様の装置（ライプニッツホイール）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、天文学の目的で多項式を計算する機械装置である差分機関を発明しました。[ 4 ]バベッジはまた、製造されなかった汎用コンピュータを設計しました。設計の多くは初期のコンピュータに組み込まれた。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などである。[ 5 ]
1936年、アラン・チューリングは、あらゆる種類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の概念を開発し、決定問題を解く機械は存在しないことを実証しました。 [ 6 ]万能チューリングマシンは、ソフトウェア命令に基づいて任意の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内蔵型コンピュータの一種でした。コンピュータプログラムの保存は、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つなぐものです。[ 7 ]さらにその前に、19世紀半ばに数学者のジョージ・ブールは、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を発明しました。ブール代数は現在、トランジスタや集積回路の他のコンポーネントをモデル化する回路の基礎となっており、これらは現代のコンピュータハードウェアを構成しています。[ 8 ] 1945年、チューリングは、製造されることのなかったコンピュータ（自動計算エンジン）の設計を完成させました。[ 9 ]
この頃、リレーと真空管の技術進歩により、最初のコンピュータの構築が可能になった。[ 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、 MARK Iを設計し、リレーコンピュータを構築した。[ 5 ]また、1945 年、ペンシルベニア大学でENIACプロジェクトに取り組んでいた数学者のジョン・フォン・ノイマンは、現代のほとんどのコンピュータのテンプレートとして機能しているフォン・ノイマン アーキテクチャの基礎を考案した。 [ 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格納する集中メモリ、メモリへのアクセスに優先順位のある中央処理装置(CPU)、および入出力 (I/O) ユニットを特徴としていた。フォン・ノイマンはデータの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というストレージ問題の解決策は、システムが両方を同時にフェッチしようとしたときにフォン・ノイマン・ボトルネックを生み出し、システムのパフォーマンスをしばしば低下させた。 [ 12 ]
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、さまざまな目標のバランスを取る必要があります。設計者は、コンパイラから集積回路設計まで、ハードウェア要件とコンピューティングのさまざまな側面を徹底的に理解する必要があります。[ 14 ]コストは、非常に類似したハードウェアコンポーネントを提供する競合他社よりも低価格で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、品質保証段階で不良品となるコンポーネントが少なくなる製造技術の改善により、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 ]
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・ノイマンが考案したものに基づいています。[ 17 ]多くの図では計算ユニットと I/O システムが分離されていますが、通常、ハードウェアは共有されており、計算ユニットのビットによって計算モードか I/O モードかが示されます。[ 18 ]一般的な ISA の種類には、CISC (複雑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の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 ]ごく少数の命令しか一般的に使用されないという認識に基づいて、RISC 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が発明されて以来、パイプライン処理とキャッシングを使用してパフォーマンスを向上させたRISCベースのアーキテクチャは、特に電力使用量やスペースに制限のあるアプリケーション（携帯電話など）においてCISCアーキテクチャに取って代わりました。1986年から2003年にかけて、ハードウェアのパフォーマンスの年間向上率は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、フラッシュメモリ、磁気ディスクストレージも指数関数的に小型化され、安価になりました。21世紀に入ると、改善率は鈍化しました。[ 23 ]
21世紀には、並列処理の活用が進むにつれてパフォーマンス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。1つは、同じ関数が複数のデータ領域にわたって実行される場合（データ並列処理）、もう1つは、異なるタスクが限られた相互作用で同時に実行される場合（タスク並列処理）です。[ 25 ]これらの並列処理の形式は、命令レベルの並列処理（命令パイプライン処理など）、データ並列処理、スレッドレベルの並列処理、およびリクエストレベルの並列処理（いずれもタスクレベルの並列処理を実装）を実装できるベクトルアーキテクチャと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ます。[ 25 ]
マイクロアーキテクチャ（コンピュータ構成とも呼ばれる）は、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に近い場所に配置され、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、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、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異なる領域にマッピングします。[ 29 ]
コンピュータプロセッサは熱を発生し、過度の熱は性能に影響を与え、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性能を制限します。コンピュータには通常、CPU と GPU 用の空冷または液冷クーラー、RAMなどの他のコンポーネント用のヒートシンクなど、過度の熱を放散するメカニズムがあります。コンピュータケースも、コンピュータからの熱を放散するために換気されることがよくあります。[ 30 ]データセンターは通常、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を使用します。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) および直接チップ (冷却液が各コンピュータチップに向けられている) は、より高価になる可能性がありますが、より効率的です。[ 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、持続的な動作は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っていないときに一時的にパフォーマンスを向上させ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、システムは必要に応じて自動的にパフォーマンスを低下させるか、プロセッサをシャットダウンします。[ 32 ]プロセッサは、熱を下げるために、非アクティブのとき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、ハードウェア設計で最も難しい側面であり、[ 35 ] 21 世紀初頭から、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、それ相応のエネルギー使用量と冷却需要の増加が必要です。[ 36 ]
パーソナルコンピュータは、その汎用性と比較的低価格であることから、最も一般的なコンピュータの種類の一つである。
仮想ハードウェアは、ハードウェアの機能を模倣する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）で一般的に使用されています。[ 45 ]
組み込みシステムは、処理能力とコストに最も大きなばらつきがあります。8ビットプロセッサは0.10米ドル未満で済むものから、毎秒数十億回の演算が可能で100米ドルを超えるハイエンドプロセッサまで様々です。これらのシステムではコストが特に重要であり、設計者は性能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 ]
コンピューターケースは、デスクトップコンピューターシステムのほとんどのコンポーネントを囲むものです。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支え、保護し、内部コンポーネントへの冷却空気の流れを制御および方向付けます。ケースはまた、コンピューター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。大型のタワー型ケースは、複数のディスクドライブやその他の周辺機器を収容できるスペースがあり、通常は床に設置されますが、デスクトップ型ケースは拡張スペースが限られています。オールインワン型デザインでは、ビデオディスプレイがケースに組み込まれています。ポータブルコンピューターやノートパソコンには、ユニットを衝撃から保護するケースが必要です。趣味でケースを改造する人は、ケースモッディングと呼ばれる活動で、色付きのライト、塗装、その他の機能でケースを装飾することがあります。
ほとんどのパーソナルコンピュータの電源ユニットは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 ]
マザーボードはコンピュータの主要コンポーネントです。これは集積回路を備えたボードで、 CPU、RAM、ディスクドライブ（CD、DVD、ハードディスクなど）、ポートや拡張スロットを介して接続される周辺機器など、コンピュータの他の部分と接続します。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取り付けられている、またはマザーボードの一部に取り付けられているコンポーネントには、以下のものが含まれます。
コンピュータにおける拡張カードとは、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のことです。拡張カードは、マザーボードでは提供されていない機能を取得または拡張するために使用できます。[ 61 ]拡張カードを使用してビデオプロセッサを使用することは以前は一般的でしたが、最近のコンピュータでは代わりにGPUがマザーボードに統合されていることが多くなっています。[ 62 ]
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備わっています。最も一般的には、ユニバーサルシリアルバス（USB）が使用されます。[ 63 ]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、周辺システムがCPUとは異なる速度で動作できるようにします。[ 63 ]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（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。[ 64 ] 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ポートは、24ボルトで最大6アンペアのより多くの電力を供給できます。[ 65 ]
2023年のコンピュータハードウェアの世界売上高は7051億7000万ドルに達した。[ 66 ]
2026年のコンピュータハードウェアの世界的収益は、2023年の7051億7000万ドルから増加し、7793億4000万ドルに達すると予測されている[ 67 ]。
コンピュータ部品には有害物質が含まれているため、古いデバイスや時代遅れのデバイスをリサイクルする動きが広がっています。[ 68 ]コンピュータハードウェアには、鉛、水銀、ニッケル、カドミウムなどの有害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されないと環境に悪影響を及ぼします。ハードウェアの製造にはかなりのエネルギーも必要ですが、部品のリサイクルは、大気汚染や水質汚染、温室効果ガスの排出量を削減するのに役立ちます。[ 69 ]多くの地域では、コンピュータ機器の不適切な処分は違法であり、法律により、政府承認の施設を通じてリサイクルすることが義務付けられています。RAM 、DVDドライブ、グラフィックカード、ハードドライブ、SSDなどの再利用可能な部品を取り外すことで、リサイクルが促進されます。
コンピュータ ハードウェアで使用される多くの材料は、リサイクルによって回収され、将来の生産に使用できます。コンピュータやその他の電子機器によく使用されるスズ、シリコン、鉄、アルミニウム、およびさまざまなプラスチックの再利用は、新しいシステムの製造コストを削減するのに役立ちます。ハードウェア コンポーネントには、銅、金、タンタル[ 70 ] [ 71 ] 、銀、プラチナ、パラジウム、鉛、および回収に適したその他の貴重な材料も頻繁に含まれています。[ 72 ] [ 73 ]
中央処理装置にはいくつかの有毒物質が含まれています。金属板には鉛やクロムが含まれている場合があります。抵抗器、半導体、赤外線検出器、安定器、ケーブル、電線にはカドミウムが含まれている可能性があり、コンピュータ回路基板には水銀やクロムが含まれている可能性もあります。[ 74 ]これらの物質や化学物質の不適切な廃棄は、環境に深刻な危険をもたらす可能性があります。
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。このような毒素に関連する健康問題には、精神発達の障害、癌、肺、肝臓、腎臓の損傷などがあります。[ 75 ]コンピューター部品には、ダイオキシン、ポリ塩化ビフェニル（PCB）、カドミウム、クロム、放射性同位体、水銀などの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、焼却によって大気汚染を引き起こしたりする可能性が高い鉛錫はんだが相当量含まれています。 [ 76 ]
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、埋立地、水路に流入するのを防ぐため、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すぎませんが、はるかに危険です。機器の持続可能な廃棄を強制し促進するために厳格な法律が制定されており、最も注目すべき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。[ 77 ]
E-cycling、つまりコンピュータハードウェアのリサイクルは、使用済み電子機器の寄付、再利用、シュレッダー処理、および一般的な回収を指します。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（電子廃棄物（e-waste）とも呼ばれる）に含まれる部品や金属を収集、仲介、分解、修理、リサイクルするプロセスを指します。E-cycling可能なアイテムには、テレビ、コンピュータ、電子レンジ、掃除機、電話と携帯電話、ステレオ、VCRとDVDなど、コード、ライト、または何らかのバッテリーを使用する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。[ 78 ]
DellやAppleなどの一部の企業は、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。それ以外の場合は、コンピュータをComputer Aid Internationalに寄付することができます。Computer Aid Internationalは、病院、学校、大学などのために古いコンピュータをリサイクルおよび再生する組織です。[ 79 ]
ウィキメディア・コモンズにあるコンピュータハードウェア関連のメディア
Wikibooksのコンピュータハードウェア
Wikiversityのコンピュータハードウェア関連の学習教材