コンピューターハードウェア

PDP-11 CPUボード

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。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・実行可能な、記述された命令の集合です。ハードウェアは変更に対して硬く、あるいは固定的であることからその名が付けられましたが、ソフトウェアは変更が容易であるため、 柔らかいと言えます。

ハードウェアは通常、ソフトウェアからの指示を受けて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構築されますが、ハードウェアのみで構成されたシステムも存在します。

歴史

最も初期の計算装置のいくつかは17世紀にまで遡ります。例えば、1642年、フランスの数学者ブレーズ・パスカルは、加算と減算が可能なパスカリーヌと呼ばれる歯車ベースの装置を設計しました。その後、1676年にはゴットフリート・ライプニッツによって、除算と乗算も可能な階段式計算装置が発明されました。当時の製造技術の限界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 ]バベッジはまた、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考案し、決定問題を解けるマシン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、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結び付けるものです。[ 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(各命題が真か偽かのいずれかである論理体系)を発明しました。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ます。[ 8 ] 1945 年、チューリングは完成し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

フォン・ノイマン・アーキテクチャ・スキーム

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して、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・エイキン（MARK I を設計 ）によりリレー式コンピュータが作られました。[ 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・アーキテクチャの基礎を考案しました。 [ 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ましたが、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りました。[ 12 ]

コンピュータアーキテクチャ

プロセッサ性能の向上（ベンチマークによる測定）[ 13 ] 1978～2010年

コンピュータアーキテクチャは、コスト、速度、可用性、エネルギー効率など、様々な目標のバランスを取ることを必要とします。設計者は、コンパイラから集積回路設計に至るまで、ハードウェア要件とコンピューティングの多様な側面を深く理解していなければなりません。[ 14 ]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、コストは大きな制約となっています。利益率も低下しています。[ 15 ]性能が向上していなくても、製造技術の向上により品質保証段階で不合格となるコンポーネントが減少したため、コンポーネントのコストは時間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)、つまりコンピュータのハードウェアとソフトウェアのインタフェースは、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ており、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 ] RISC では、一般的に使用される命令は少数であるという認識に基づき、命令セットを縮小して簡素化を図り、より多くのレジスタを組み込むことができるようにしています。[ 21 ] 1980年代にRISCが発明された後、パイプラインとキャッシュを用いて性能を向上させるRISCベースのアーキテクチャが、特に電力消費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、ハードウェア性能の年間向上率は50%を超え、タブレットやモバイルなどの新しいコンピューティングデバイスの開発を可能にしました。[ 22 ]トランジスタの密度向上に伴い、DRAMメモリ、フラッシュメモリ、磁気ディスクストレージも飛躍的に小型化・低価格化しました。21世紀に入ると、この向上率は鈍化しました。[ 23 ]

21 世紀では、並列処理の利用が拡大し、性能が向上しました。[ 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、同じ機能が複数のデータ領域にまたがって実行されるか (データ並列処理)、異なるタスクが限られた相互作用で同時に実行されるか (タスク並列処理) です。[ 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に関する問題を指します。[ 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改ざんする能力を制限するために分離されます。[ 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異なる領域にマッピングすることで、プログラムのアドレス指定を簡素化する仮想メモリを使用しています。[ 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 や GPU 用の空冷または液冷装置、RAMなど他のコンポーネント用のヒートシンクなど、過剰な熱を放散させる機構があります。コンピュータケースにも、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、液浸冷却（各コンピュータが冷却液に囲まれている）やダイレクト・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、その冷却システムよりも強力になるよう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は一時的にパフォーマンスを上げることができますが（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たり、プロセッサをシャットダウンしたりします。[ 32 ]プロセッサはまた、非アクティブのとき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の基本的なハードウェアコンポーネント。モニター、マザーボード、CPU、RAM、拡張カード2枚、電源、光ディスクドライブ、ハードディスクドライブ、キーボード、マウスなどが含まれます
カスタムビルドのコンピュータ内部：底部の電源には専用の冷却ファンが付いています

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は、モニター、キーボード、マウス、そしてパソコンケースで構成されています。パソコンケースには、マザーボード、データ保存用の固定またはリムーバブルディスクドライブ、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ースなどの周辺機器も搭載されている場合があります。デスクトップパソコンの中には、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るモデルもあります。これらの要素を分離することで、ユーザーはコンポーネントを美しく快適に配置できますが、その代償として、コンポーネント間の電源ケーブルとデータケーブルの管理が必要になります。
  • ノートパソコンは携帯性を重視して設計されていますが、操作方法はデスクトップPCと似ています。[ 37 ]ノートパソコンは低消費電力または小型の部品を使用しているため、同価格帯のデスクトップパソコンよりも性能が低い場合があります。[ 38 ]ノートパソコンは、キーボード、ディスプレイ、プロセッサを1つの筐体に収めています。筐体上部の折りたたみ式カバーに収納されたモニターは、持ち運びの際に閉じることができ、画面とキーボードを保護します。マウスの代わりに、ノートパソコンには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要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。タブレットは一般的にノートパソコンよりも軽量で小型です。タブレットの中には、折りたたみ式キーボードを搭載しているものや、外付けキーボードを接続できるものもあります。ノートパソコンの中には、取り外し可能なキーボードを搭載しているモデルもあり、タッチスクリーンタブレットとして使用できます。これらは、2-in-1 取り外し可能ノートパソコン、またはタブレットとノートパソコンの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制限される一方で、バッテリー駆動時間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機種によって異なります。[ 40 ]

大規模コンピュータ

IBM System z9メインフレーム

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す。一般的に、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米ドル未満の8ビットプロセッサから、1秒あたり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

ケース

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。一方、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では、同じケースにビデオディスプレイが組み込まれています。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、またはその他の特徴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、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ボルト、5ボルト、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

コンピュータのマザーボード

マザーボードはコンピュータの主要なコンポーネントです。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た周辺機器など、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。コンピュータ内の集積回路（IC）チップには、通常、数十億個の微小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ている、またはマザーボードの一部に接続されているコンポーネントには次のものがあります。

拡張カード

コンピューターにおける拡張カードは、コンピューター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ーシステムに機能を追加できるプリント回路基板です。拡張カードは、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するために使用できます。[ 61 ]ビデオプロセッサ用の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ーでは、マザーボードに統合されたGPUが搭載されている可能性が高くなっています。[ 62 ]

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。[ 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、周辺機器が 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。[ 64 ] USB ポートは接続されたデバイスへの電源供給も可能にします。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パワード USB ポートは、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。[ 65 ]

売上

2023年のコンピューターハードウェアの世界売上高は7051億7000万ドルに達しました。[ 66 ]

リサイクル

コンピューターの部品には有害物質が含まれているため、古くて時代遅れの機器をリサイクルする動きが広がっています。[ 67 ]コンピューターのハードウェアには、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場合、環境に悪影響を及ぼします。ハードウェアの製造にも多大なエネルギーが必要であり、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削減に役立ちます。[ 68 ]多くの地域では、コンピューター機器の不適切な処分は違法であり、法律では政府認定の施設でのリサイクルを義務付けています。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、リサイクルを促進できます

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、リサイクルによって回収され、将来の製造に再利用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よく見られるスズ、シリコン、鉄、アルミニウム、そして様々なプラスチックを再利用することで、新しいシステムの製造コストを削減できます。ハードウェア部品には、銅、金、タンタル、[ 69 ] [ 70 ]銀、プラチナ、パラジウム、鉛など、再生可能なその他の貴重な材料も頻繁に含まれています。[ 71 ] [ 72 ]

有毒なコンピューター部品

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、コンピューターの回路基板には水銀やクロムが含まれている場合もあります。[ 73 ]これらの材料や化学物質を不適切に廃棄すると、環境に深刻な危険をもたらす可能性があります

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。このような毒素に関連する健康問題には、精神発達障害、がん、肺、肝臓、腎臓への損傷などがあります。[ 74 ]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、焼却によって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。 [ 75 ]

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・促進するための厳格な法律があり、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。[ 76 ]

コンピュータハードウェアの廃棄物を最小限に抑えるための取り組み

E-サイクリング（コンピューターハードウェアのリサイクル）とは、使用済み電子機器の寄付、再利用、破砕、および一般的な回収を指します。一般的には、使用済みまたは廃棄された電子機器（電子廃棄物（E-waste）とも呼ばれます）に含まれる部品または金属を収集、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-サイクリングの対象となる製品には、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、ビデオデッキ、DVDなど、コード、ランプ、または何らかの電池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。[ 77 ]

DellやAppleなどの企業は、自社製だけでなく他社製のコンピュータもリサイクルしています。また、病院、学校、大学などで古いコンピュータをリサイクル・再生する団体であるComputer Aid Internationalにコンピュータを寄付することもできます。 [ 78 ]

関連項目

参考文献

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出典

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