コンピュータ工学
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コンピュータ工学
職業
名前コンピューターエンジニア
職業の種類
エンジニアリング
活動分野
電子工学、電気通信、信号処理、コンピュータハードウェア、ソフトウェア
専門ハードウェア工学、ソフトウェア工学、ハードウェアとソフトウェアの相互作用、ロボット工学、ネットワーク
説明
能力技術知識、ハードウェア設計、ソフトウェア設計、高度な数学、システム設計、抽象的思考、分析的思考
雇用分野
科学、技術、工学、産業、軍事、探査

コンピュータ工学（CE、[ a ] CoE、CpE、またはCompE ）は、コンピュータのハードウェアとソフトウェアの開発を専門とする工学の分野です。[ 1 ] [ 2 ]

コンピュータ工学は、電気工学、電子工学、コンピュータサイエンスの複数の分野を統合したものです。コンピュータ工学は、大学によっては 電気・コンピュータ工学、またはコンピュータサイエンス・エンジニアリングと呼ばれることもあります。

コンピュータエンジニアには、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訓練が必要です。これには、電磁気学、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が含まれます。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ハードウェアとソフトウェアの多く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だけでなく、それらをより広い範囲に統合する方法にも焦点を当てています。[ 3 ]ロボティクスはコンピュータエンジニアリングの応用分野の一つです。

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やファームウェアの作成、 VLSIチップ、アナログセンサー、ミックスドシグナル回路基板の設計、熱力学、制御システムなどの分野を扱います。また、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の制御と監視にデジタルシステムを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年生の間に、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広範さは、学部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分野として選択する前に、 1～2年間の一般工学の履修を義務付けている場合もあります。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

STM32マイクロコントローラのダイショット。このチップはコンピュータエンジニアによって設計され、他のシステムの構築にも利用されています。

歴史

最初の機械式コンピュータ、階差機関
最初の電子計算機、ENIAC

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、電気工学を駆使して世界初の電子デジタルコンピュータの開発に着手した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を専攻した卒業生でした。2人は協力して、完成までに5年を要したアタナソフ・ベリー・コンピュータ（ABCとも呼ばれる）を開発しました。[ 8 ] オリジナルのABCは1940年代に解体・廃棄されましたが、今は亡き発明者らに敬意を表し、1997年にABCのレプリカが作られました。研究者とエンジニアのチームが4年の歳月と35万ドルをかけて完成させました。[ 9 ]

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・ブラッテンがベル研究所で初めて動作させたトランジスタ[ 10 ] 、1955年にカール・フロッシュとリンカーン・デリックが二酸化ケイ素の表面パッシベーション[ 11 ] 、フロッシュとデリックが1957年に初めて開発したプレーナ型二酸化ケイ素トランジスタ[ 12 ] 、ジャン・ホーニが開発したプレーナ型プロセス[ 13 ]、[ 14 ]、[ 15 ]、1959年にフェアチャイルドセミコンダクターのロバート・ノイスが開発したモノリシック集積回路チップ[ 16 ] 、ベル研究所のチームが1960年に実証した金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET、またはMOSトランジスタ）[ 17 ]、インテルのフェデリコ・ファギン、マルシアン・ホフ、嶋正敏、スタンレー・メイザーが1961年に開発したシングルチップマイクロプロセッサ（インテル4004）などがある。 1971年[ 18 ]

コンピュータ工学教育の歴史

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。[ 19 ] 2015年の時点で、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。[ 20 ]欧州では、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、一般的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しているところもあります。 コンピュータエンジニアリングプログラムと電子工学プログラムはどちらも、カリキュラムにアナログおよびデジタル回路設計を含んでいます。 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。

教育

コンピュータエンジニアリングは、大学によってはコンピュータサイエンスやエンジニアリングとも呼ばれています。コンピュータエンジニアリングのエントリーレベルの仕事のほとんどには、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。[ 21 ]電子工学または電気工学の学位でも、この2つの分野の類似性から十分です。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。」[ 22 ]大企業や専門的な仕事の中には、修士号を必要とするものもあります。

コンピュータエンジニアにとって、急速な技術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。例えば、ソフトウェア開発サイクルが進むにつれてバグ修正にかかる相対的なコストは増加するため、プロセスのできるだけ早い段階、特にリリース前に、高品質な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効果が得られます。[ 23 ]

応用と実践

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。

コンピュータハードウェアエンジニアリング

米国の労働統計局（BLS）によると、コンピューターハードウェアエンジニアの現在の雇用見通しは、2024年から2034年までの10年間で7％の成長が見込まれている。しかし、2019年から2029年のコンピューターハードウェアエンジニアの雇用は推定2％増、雇用者総数は71,100人とされている。（他の職業と比較した場合、「平均より遅い」とBLSは述べている。）[ 24 ] [ 25 ]これは、2014年から2024年のBLSのコンピューターハードウェアエンジニアの推定値である3％増、雇用者総数77,700人から減少している。また、2012年から2022年のBLS推定値の7％から減少しており、BLSの2010年から2020年の推定値の9％からもさらに減少している。「[ 24 ]今日では、コンピュータハードウェアは電子工学およびコンピュータ工学（ECE）とほぼ同等であり、多くのサブカテゴリに分割されていますが、最も重要なのは組み込みシステム設計です。[ 22 ]

コンピュータソフトウェアエンジニアリング

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一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の10年間の成長率は推定17%で、同年には合計111万4000人の雇用がありました。[ 26 ]これは、2012年から2022年のBLSのソフトウェア開発者の推定22%から減少しています。[ 27 ] [ 26 ]そして、2010年から2020年のBLSの推定30%からさらに減少しています。[ 28 ]さらに、サイバーセキュリティに対する懸念の高まりも相まって、コンピュータソフトウェアエンジニアリングの成長率は全分野の平均を大きく上回っています。しかし、一部の業務は海外にアウトソーシングされるでしょう。[ 29 ]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は、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、雇用の伸びは過去10年ほど速くはないでしょう。[ 30 ]さらに、BLSのコンピュータプログラマーの雇用見通しは、2014～2024年で-8%（BLSの言葉を借りれば減少）[ 30 ] 、 2019～2029年で-9%（減少）[ 31 ] 、 2021～2031年で10%の減少[ 31 ]、そして現在2022～2032年で11%の減少[ 31 ]となっています。[ 32 ] [ 33 ]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。[ 34 ]

専門分野

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、結果として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。

コーディング、暗号化、情報保護

Cプログラミング言語で書かれたソースコード

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、デジタル画像や音楽などのさまざまな情報を、断片化、著作権侵害、デジタル透かしなどの改ざんから保護するための新しい方法を開発しています。[ 35 ]

通信および無線ネットワーク

通信および無線ネットワークに重点を置く研究者は、電気通信システムおよびネットワーク（特に無線ネットワーク）、変調および誤り制御符号化、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、干渉抑制および変調、フォールトトレラントシステムの設計と分析、そしてストレージおよび伝送方式はすべてこの専門分野の一部です。[ 35 ]

コンパイラとオペレーティングシステム

Windows 10、オペレーティングシステムの例

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、プログラム解析技術、品質保証のための新しい技術を開発します。この分野の業務例としては、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挙げられます。[ 35 ]

計算科学と工学

計算科学・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、この分野で研究する人々は「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、解決するために応用されています。例としては、航空機設計、半導体ウェーハ上のナノメートル単位の微細構造のプラズマ処理、VLSI回路設計、レーダー探知システム、生体チャネルを通じたイオン輸送などが挙げられます」[ 35 ] 。

コンピュータネットワーク、モバイルコンピューティング、分散システム

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、様々なシステムにおける適応型リソース管理、モバイル環境やATM環境におけるサービス品質の向上などが挙げられます。その他の例としては、無線ネットワークシステムやファストイーサネットクラスタ有線システムの開発などがあります。[ 35 ]

コンピュータシステム：アーキテクチャ、並列処理、信頼性

コンピュータのCPUの例

コンピュータシステムエンジニアは、信頼性、安全性、高性能を兼ね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携わっています。マルチスレッドや並列処理のためのプロセッサの設計といった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業務例としては、コンピュータシステムの性能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挙げられます。[ 35 ]

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。

コンピュータービジョンとロボット工学

ヒューマノイドロボットの例

この専門分野では、コンピュータエンジニアは、環境の感知、環境の表現、そして環境の操作を行う視覚センシング技術の開発に重点を置いています。収集された三次元情報は、様々なタスクを実行するために実装されます。これには、人間モデリングの改善、画像通信、ヒューマンコンピュータインターフェース、そして多用途の視覚センサーを備えた特殊カメラなどのデバイスが含まれます。[ 35 ]

組み込みシステム

組み込みシステムを使用するデバイスの例

この分野で働く人々は、システムの速度、信頼性、性能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FMラジオからスペースシャトルまで、多くのデバイスに搭載されています。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運転車両や機器、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協調」が含まれます。 [ 35 ] 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（IoT）などがあります。

集積回路、VLSI設計、テスト、CAD

コンピュータ工学のこの専門分野では、電子・電気システムに関する十分な知識が求められます。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）や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アルゴリズムやアーキテクチャの消費電力削減に関する研究が挙げられます。[ 35 ]

信号、画像、音声処理

この分野のコンピュータエンジニアは、音声認識・合成、医療・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、人間の顔の特徴認識などのコンピュータビジョン開発も含まれます。[ 35 ]

量子コンピューティング

この分野では、重ね合わせ、干渉、エンタングルメントといった微小粒子の量子挙動を古典コンピュータと統合することで、複雑な問題を解き、アルゴリズムをより効率的に構築します。研究者は量子暗号、物理シミュレーション、量子アルゴリズムといった分野に注力しています。

参照

協会

注釈と参考文献

注記

  1. ^コンピュータの時代以前は、CE は「 Chartered Engineer 」を意味することもあり、「inst. CE 」は「 Institution of Civil Engineers」を意味していました。

参考文献

  1. ^ IEEE Computer Society ; ACM (2016年12月15日).コンピュータ工学カリキュラム2016：CE2016：コンピュータ工学の学部課程カリキュラムガイドライン(PDF) . doi : 10.1145/3025098 (2025年7月1日非アクティブ).{{cite book}}: CS1 maint: DOIは2025年7月時点で非アクティブです（リンク）
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