コンピュータは、計算するプロセッサ、作業中のデータを置くメモリ、データを残しておく記録媒体、外の機器とつなぐインタフェース、人とやり取りする入出力装置、そして全体を動かすOSでできています。
プロセッサ:CPUとGPU
CPUは、プログラムの命令を読んで計算(演算)し、ほかの装置に指示を出す(制御)、コンピュータの中心の部品です。 CPU の速さは、主に次の4つで決まります。
4つとも「大きい・多い・高い」ほうが速くなります。
CPUの性能を決める4つの要素
クロック周波数 … CPU が動く拍子の速さ。同じ構造の CPU なら、高いほど速い(下げると遅くなる)
コア数 … CPU の中にある処理の担当の数。デュアルコア=2つ、クアッドコア=4つ。多いほど同時に多くの処理ができる
キャッシュメモリ … CPU のすぐそばに置く小さく速いメモリ。よく使うデータを置いておく。容量が大きいほど速い
ビット数 … 一度に処理できるデータの長さ。64ビットCPUは32ビットCPUより一度に扱うデータが大きい
CPU の性能の4つの要素は、どれも「大きい・多い・高い」ほうが速くなります。 「少ないほど速い」「下げると速い」という言い方が出たら誤りです。
GPUは、画像を描くための専用のプロセッサです。3次元の画像処理を速くしたり、動画をなめらかに表示したりします。 GPU は小さな計算を大量に同時にこなすのが得意なので、その力を画像以外の計算、たとえばAIの学習に使うことがあります。これをGPGPUといいます。
似た略語に注意します。GUIはアイコンやウィンドウで操作する画面の仕組み、UPSは停電のときに電気を送り続ける無停電電源装置、CGIは Web サーバでプログラムを動かす仕組みです。どれも描画のためのハードウェアではありません。
ある会社で、社内のサーバを使って AI の学習を始めることになりました。同じ形の計算を大量に、できるだけ速くこなしたいと考えています。最も適切な手はどれですか。
× クロック周波数は下げると遅くなります。
× キャッシュメモリは大きいほど速くなります。減らすと遅くなります。
× UPS は停電に備える電源装置で、計算の速さには関係しません。
○ 正解 GPU を増設して、GPGPU として計算に使うです。
AI の学習は、同じ形の小さな計算を大量にくり返します。小さな計算を大量に同時にこなすのは GPU の得意分野で、画像以外の計算に GPU を使うことを GPGPU といいます。
メモリと記録媒体
CPU が計算に使うデータとプログラムを置いておく場所がメモリ(主記憶装置)です。メモリは2種類に分かれます。
RAMとROM
RAM … 読み書きできるメモリ。電源を切ると中身が消える(揮発性)。主記憶に使う DRAM(DDR は DRAM の規格の名前)と、より速くキャッシュメモリに使う SRAM がある
ROM … 読み出し専用のメモリ。電源を切っても消えない(不揮発性)
データを長く残しておくのが記録媒体です。何に記録するかで3つの仲間に分かれます。
ここに並ぶ半導体メモリのうち、電源を切ると消えるのは RAM(DRAM・SRAM)です。
記録媒体の3つの仲間
半導体メモリ … 電気で記録する。フラッシュメモリは書き換えができ、電源を切っても消えない。SSD・USBメモリ・SDカードはフラッシュメモリでできている。SD カードは SDカードリーダーで読む
磁気ディスク … HDD(ハードディスク装置)。円盤を回して磁気で読み書きする
光ディスク … CD・DVD・ブルーレイディスク。光学ドライブでレーザー光を当てて読み書きする
SSDは HDD と違って円盤もモーターもない、つまり物理的に動く部品がありません。そのため HDD より消費電力が少なく、衝撃にも強く、読み書きも速いので、ノートPCや IoT 機器の記録装置にも使われます。
電源を切ると消えるのは、ここで扱う半導体メモリのうち RAM(DRAM・SRAM)で、記録媒体(SSD・USBメモリ・HDD・光ディスク)はどれも電源を切っても消えません。 「DVD-RAM」は名前に RAM と付きますが、半導体ではなく光ディスクです。
DVD は書き込めるかどうかで名前が変わります。DVD-ROMは読出し専用(映画のソフトのように最初から記録されている)、DVD-Rは1回だけ書き込める、DVD-RW・DVD-RAMは何度も書き換えられます。
なお DRM は、音楽や映像などのデジタルデータを無断でコピーされないように守る技術で、記録装置ではありません。
出張先で作った資料を、何度も上書きしながら持ち歩きたいと考えています。電源を切っても消えず、動く部品がなく、書き換えができるものはどれですか。
× RAM の一種で、電源を切ると中身が消えます。
× 読出し専用なので、自分の資料を書き込めません。
○ 正解 USBメモリです。
USBメモリはフラッシュメモリでできていて、電源を切っても消えず、動く部品がないので持ち歩いても壊れにくく、書き換えもできます。
× 電源を切っても消えませんが、円盤を回す動く部品があり、SSD やフラッシュメモリより衝撃に弱いものです。
入出力インタフェース:機器をつなぐ口
周辺の機器とつなぐ口や通信の決まりを入出力インタフェースといいます。有線では、いろいろな機器をつなぐ USB、映像と音声を1本のケーブルで送る HDMI が代表です(DVI はディスプレイに映像を送る端子です)。
機器をつないでも、OS がその機器の動かし方を知らなければ使えません。機器ごとの動かし方を OS に教えるソフトウェアがデバイスドライバです。つなぐだけで OS が機器を見分け、デバイスドライバの組込みや設定を自動で行う機能をプラグアンドプレイといいます。
無線のインタフェースは、次の4つを区別します。
BLE は Bluetooth の一部、IrDA は電波ではなく赤外線です。
無線のインタフェース
NFC … 10cm程度の近い距離で、かざして通信する。スマートフォンに内蔵された非接触型ICチップを読取り機にかざして、駅の改札の定期券や支払いに使う。電波で IC チップの情報を読み取る技術を RFID といい、NFC はその技術をもとにした近距離の規格
Bluetooth … イヤホンやキーボードなどの周辺機器と電波でつなぐ
BLE(Bluetooth Low Energy) … Bluetooth 4.0 で追加された省電力の仕様。一般的なボタン電池で半年から数年動くほど消費電力が少なく、IoT 機器を長く動かせる。受け取った電波の強さから機器どうしの距離を知ることにも使う
IrDA … 電波ではなく赤外線で通信する
BLE は省電力にするために作り直された仕様なので、Bluetooth 3.0 以前の機器とは互換性がありません。また BLE は Bluetooth の仲間であって、Wi-Fi(無線LAN)のアクセスポイントとは通信しませんし、赤外線も使いません。
名前の似た通信の言葉も、Bluetooth とは別のものです。LPWAは数km以上の広い範囲を少ない電力で結ぶ IoT 向けの通信、LTEは携帯電話の通信網、PLCは電気を送る電力線を通信にも使う技術です。どれも Bluetooth の規格には含まれません。
スマートフォンでも、何で実現しているかは機能ごとに違います。移動しながら通話を続けるための基地局の切替えや、海外で国内と同じサービスを使えるようにする仕組みは携帯電話の通信網の働きです。QR コードを読み込むのはカメラです。どちらも非接触型 IC チップは使いません。
入出力装置
人がコンピュータにデータを入れる入力装置には、キーボード、マウスなどのポインティングデバイス、タッチパネル(タッチデバイス)、スキャナー、指紋や顔で本人を確かめる生体認証装置があります。
タッチパネルには、触れた位置を見つける方式がいくつかあります。
タッチパネルの方式
静電容量方式 … 指が表面に近づいたときの電気の変化で位置を見つける。スマートフォンで広く使われている
感圧式 … 画面を押した圧力で位置を見つける
光学式 … 画面のふちから出した赤外線などの光が、指でさえぎられた位置を見つける
電磁誘導方式 … 専用のペンが出す磁界で位置を見つける
紙の書類をコンピュータに取り込むのがイメージスキャナーです。紙に光を当て、反射光を読み取って、文字や図形をデジタルデータ(画像)に変えます。どこまで細かく読み取れるかは dpi(1インチあたりの点の数)で表します。なお、bps は通信の速さの単位です。
スキャナーが作るのは画像まで。文字に変えるのは OCR です。
スキャナーが作るのは「文字が写った画像」で、そのままでは検索も編集もできません。画像の中の印刷文字や手書き文字を認識して、テキストデータに変えるのが OCR です。
OCR と取り違えやすいものも押さえておきます。CCDはスキャナーやカメラの中で光を電気信号に変える部品、スクリーンリーダーは画面の文字を音声で読み上げるソフトウェア、音声合成は人工的に音声を作り出す技術です。どれも文字を認識する技術ではありません。指先が触れた位置を見つけるのはタッチパネル、10cm程度の無線通信は NFC の役目です。
結果を人に見せる出力装置には、液晶ディスプレイ、自ら光る素子を使う有機ELディスプレイ、頭にかぶって目の前に映像を映すヘッドマウントディスプレイ、プリンターがあります。プリンターは、紙に色を付ける方法で見分けます。
プリンターの印字方式
インクジェットプリンター … インクの細かい粒を用紙に直接吹き付けて印字する
レーザープリンター … レーザー光で感光体にトナーを付け、それを用紙に移して印字する
そのほか … 熱で溶けるインクを印字ヘッドで加熱して写す熱転写方式、インクリボンをピンで打ち付けるドットインパクト方式がある
データをもとに、樹脂などを積み重ねて立体物を作るのが3Dプリンターです。
OSとファイルシステム
OSは、ハードウェアを管理してアプリケーションが使えるようにする基本のソフトウェアです。PC では Windows(Microsoft)、macOS(Apple)、サーバでは UNIX と、UNIX をまねて作られた Linux が使われます。スマートフォンやタブレットでは Android(Google)と iOS(Apple)が代表です。
この中で、ソースコードが公開されていて、だれでも改良や再配布ができる OSS(オープンソースソフトウェア)なのは Linux と、Linux をもとにした Android です。Windows・macOS・iOS は、OS 全体としてはソースコードが公開されておらず、OSS ではありません。なお Safari は Apple の Web ブラウザーで、OS ではありません。
ただし、ソースコードが読めるだけでは OSS とはいえません。OSS かどうかは、作者が付けるライセンス(使ってよい条件)で決まります。作者は著作権を手放すのではなく、自分の著作権にもとづいて許可を出していて、その条件が手を入れることも配り直すことも妨げず、使う人や用途を選ばないものだけが OSS と呼ばれます。自由に使えることと無料であることも別の話です。ある学校の先生が OSS の時間割作成ソフトを自校向けに直して公開し、別の会社がそれをもとにした製品を代金を取って売り、導入の手伝いも有料で請け負う、ということが同時に起こりえます。
ライセンスの中には、受け取った自由を次の人にも渡すことを条件にするものがあり、この考え方をコピーレフトといいます。代表は GPL で、GPL のメモ帳アプリに検索機能を足して友人に配るなら、友人にも GPL のもとで渡し、足した部分まで含めて中身を読み・直し・配れる状態にしなければなりません。
OS の仕事のうち、まずメモリの扱いを見ます。メモリを 8GB 積んだ PC で、合わせて 12GB を使うアプリを同時に開くと、そのままでは置き場が足りません。そこで OS は、アプリごとに「自分専用の広い置き場がある」ように見せ、いま使っていない部分を SSD などに一時的に逃がして、必要になったら戻します。この仕組みが仮想記憶で、アプリから見える置き場の広さは、本体に実際に積んでいるメモリ(主記憶)の量に縛られません。
ファイルの管理も OS の仕事です。OS は、ファイルをディレクトリ(フォルダ)に入れて管理します。ディレクトリの中にはファイルも別のディレクトリも入れられるので、全体はルートディレクトリを根とする木の形(木構造)になります。
ファイルの下には何もぶら下がらないので、ファイルは必ず葉になります。
木の途中の分かれ目を節、末端を葉といいます。節か葉かは、名前や種類ではなく、その下に枝が続くかどうかで決まります。 中に何かを入れられるのはディレクトリだけで、ファイルの下には何もぶら下がりません。ディレクトリは空のまま置いておくこともできます。
目的のファイルまでの道筋を書いたものがパス(ディレクトリパス/ファイルパス)です。別の場所にあるファイルをすぐ開けるように置く「入口」はショートカットで、消してももとのファイルは消えません。
まとめ
この回で持ち帰ること
1. CPU はクロック周波数が高い・コア数が多い・キャッシュが大きい・ビット数が大きいほど速い。GPU は描画用のプロセッサで、計算に使うと GPGPU
2. 電源を切ると消えるのは RAM(DRAM・SRAM)。ROM・フラッシュメモリ・SSD・HDD・光ディスクは消えない
3. 半導体メモリ=RAM・ROM・SSD・USBメモリ・SDカード。HDD は磁気、CD・DVD は光。DVD-ROM は読出し専用、DVD-RAM は書き換えられる光ディスク
4. NFC=10cm程度でかざす(改札・決済)。BLE=Bluetooth 4.0 の省電力の仕様(ボタン電池で長く動く・距離の推定・3.0以前と互換性なし)。IrDA=赤外線
5. スマートフォンのタッチパネルは静電容量方式。スキャナーは反射光を読んで画像に(単位 dpi)、OCR が文字を認識してテキストに。インクジェットは吹き付け、レーザーはトナー
6. OSS の OS は Linux と Android。木構造の節か葉かは、下に枝が続くかどうかで決まる
この節で解ける公開問題
令和4〜8年度の公開問題のうち、この節の知識で解ける問題は次の17問です。
プロセッサ・メモリ・記録媒体
令和4年度 問81CPUの性能令和7年度 問67GPU令和6年度 問56揮発性メモリ令和7年度 問75半導体メモリ令和4年度 問84SSD令和5年度 問88DVD-ROM
OS・ファイルシステム
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