Prita Diary 19082025

コンピュータ パート5
ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）は、アメリカで初めて作られた電子式プログラム可能コンピュータでした。ENIACはColossusに似ていましたが、はるかに高速で柔軟性が高く、チューリング完全でした。Colossusと同様に、ENIACの「プログラム」はパッチケーブルとスイッチの状態によって定義され、後に登場したプログラム記憶型の電子機械とは大きく異なっていました。プログラムを書き込んだら、プラグやスイッチを手動でリセットして、機械に機械的に設定する必要がありました。ENIACのプログラマーは6人の女性で、しばしば「ENIACガールズ」と呼ばれていました。

 

ENIACは、電子工学の高速性と、多くの複雑な問題をプログラムする能力を兼ね備えていました。1秒間に5000回の加算と減算が可能で、これは他のどの機械よりも1000倍高速でした。また、乗算、除算、平方根を求めるモジュールも備えていました。高速メモリは20ワード（約80バイト）に制限されていました。ペンシルベニア大学のジョン・モークリーとJ・プレスパー・エッカートの指揮の下、ENIACの開発と構築は1943年から1945年末の本格稼働まで続きました。この機械は巨大なもので、重量は30トン、消費電力は200キロワット、18,000本以上の真空管、1,500個のリレー、そして数十万個の抵抗器、コンデンサ、インダクタを搭載していました。

 

現代のコンピュータ
現代のコンピュータの概念
現代のコンピュータの原理は、アラン・チューリングが1936年に発表した画期的な論文『計算可能数について』で提唱しました。チューリングは「万能計算機械」と名付けたシンプルな装置を提案し、これは現在では万能チューリング機械として知られています。彼は、この機械がテープに保存された命令（プログラム）を実行することで計算可能なあらゆる計算を実行できることを証明し、機械をプログラム可能にしました。チューリングの設計における基本概念は、計算に必要なすべての命令がメモリに格納されるプログラム格納方式です。フォン・ノイマンは、現代コンピュータの中心概念はこの論文に由来することを認めています。チューリングマシンは今日に至るまで、計算理論における中心的な研究対象となっています。有限のメモリによる制約を除けば、現代のコンピュータはチューリング完全であると言われています。つまり、汎用チューリングマシンと同等のアルゴリズム実行能力を備えています。

 

プログラム格納方式
初期の計算機は固定プログラムを使用していました。機能を変更するには、機械の配線と構造を変更する必要がありました。プログラム格納方式コンピュータの提案により、この状況は変わりました。プログラム格納方式コンピュータは、設計上命令セットを備えており、計算の詳細を示す命令セット（プログラム）をメモリに格納することができます。プログラム格納方式コンピュータの理論的基礎は、アラン・チューリングが1936年に発表した論文で示されました。1945年、チューリングは国立物理学研究所に加わり、電子式プログラム格納方式デジタルコンピュータの開発に着手しました。 1945年に発表された報告書「電子計算機の提案」は、この種の装置の最初の仕様書となった。ペンシルベニア大学のジョン・フォン・ノイマンも、1945年にEDVACに関する報告書の初稿を回覧した。

 

マンチェスター・ベイビーは、世界初のプログラム内蔵式コンピュータであった。イギリスのマンチェスター大学で、フレデリック・C・ウィリアムズ、トム・キルバーン、ジェフ・トゥーティルによって製作され、1948年6月21日に最初のプログラムを実行した。このコンピュータは、世界初のランダムアクセス・デジタル記憶装置であるウィリアムズ管のテストベッドとして設計された。1998年の回顧録では「小型で原始的」と評されたが、現代の電子計算機に不可欠な要素をすべて備えた最初の実用機械であった。 Babyの設計が実現可能であることが実証されるとすぐに、大学ではそれを実用可能なコンピュータ、マンチェスター・マーク1へと開発するプロジェクトが開始されました。

 

マーク1はすぐに、世界初の商用汎用コンピュータであるフェランティ・マーク1のプロトタイプとなりました。フェランティによって製造されたこのコンピュータは、1951年2月にマンチェスター大学に納入されました。この後継機は1953年から1957年の間に少なくとも7台納入され、そのうち1台はアムステルダムのシェル研究所に納入されました。1947年10月、英国のケータリング会社J. Lyons & Companyの取締役たちは、コンピュータの商用開発を促進する上で積極的な役割を果たすことを決定しました。1949年のケンブリッジEDSACをモデルに設計されたLyonsのLEO Iコンピュータは、1951年4月に運用を開始し、世界初のオフィス向け定型コンピュータとして稼働しました。

 

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Prita Diary 16082025

コンピュータ パート4
デジタルコンピュータ
電気機械式
クロード・シャノンの1937年の修士論文は、デジタルコンピューティングの基礎を築きました。ブール代数をスイッチング回路の解析と合成に応用するという彼の洞察は、すべての電子デジタルコンピュータの根底にある基本概念となっています。

 

1938年までに、アメリカ海軍は潜水艦用の電気機械式アナログコンピュータであるトルピード・データ・コンピュータを開発しました。このコンピュータは、移動する標的に魚雷を発射するという問題を三角法を用いて解くものでした。第二次世界大戦中、同様の装置が他国でも開発されました。

 

初期のデジタルコンピュータは電気機械式で、電気スイッチが機械式リレーを駆動して計算を実行していました。これらの装置は動作速度が遅く、最終的には真空管を用いたはるかに高速な全電気式コンピュータに取って代わられました。1939年にドイツの技術者コンラート・ツーゼによってベルリンで開発されたZ2は、電気機械式リレーコンピュータの最も初期の例の一つでした。

 

1941年、ツーゼは以前のマシンに続き、世界初の電気機械式プログラマブル・フルオート・デジタルコンピュータZ3を開発しました。Z3は2000個のリレーを搭載し、22ビットのワード長を実現し、クロック周波数は約5～10Hzでした。プログラムコードはパンチフィルムで提供され、データは64ワードのメモリに保存するか、キーボードから入力することができました。Z3はいくつかの点で現代のマシンに非常に似ており、浮動小数点数など数々の先進技術の先駆けとなりました。実装が困難な10進法（チャールズ・バベッジの初期設計で使用されていた）ではなく、2進法を採用したことで、ツーゼのマシンは構築が容易になり、当時の技術水準では信頼性も高まる可能性がありました。Z3自体は汎用コンピュータではありませんでしたが、チューリング完全になるように拡張することができました。

 

ツーゼの次のコンピュータであるZ4は、世界初の商用コンピュータとなりました。第二次世界大戦による当初の遅延の後、1950年に完成し、チューリッヒ工科大学（ETH）に納入されました。このコンピュータは、1941年にベルリンで初めてコンピュータ開発を専門とする会社として設立された、ツーゼ自身の会社であるZuse KGによって製造されました。Z4は、スイス初の、そしてヨーロッパでも初期のコンピュータの一つであるERMETHの設計のインスピレーションとなりました。

 

真空管とデジタル電子回路
純粋な電子回路素子はすぐに機械式および電気機械式の同等のものに取って代わり、同時にデジタル計算がアナログに取って代わりました。1930年代、ロンドンの郵便局研究所で働いていた技術者のトミー・フラワーズは、電話交換機への電子機器の応用の可能性を模索し始めました。彼が1934年に製作した実験装置は5年後に稼働を開始し、数千本の真空管を用いて電話交換機ネットワークの一部を電子データ処理システムに変換しました。アメリカでは、1942年にアイオワ州立大学のジョン・ヴィンセント・アタナソフとクリフォード・E・ベリーが、世界初の「自動電子デジタルコンピュータ」であるアタナソフ・ベリー・コンピュータ（ABC）を開発・試験しました。この設計も完全電子化されており、約300本の真空管と、記憶用のコンデンサが機械的に回転するドラムに固定されていました。

 

第二次世界大戦中、ブレッチリー・パークのイギリスの暗号解読者たちは、ドイツ軍の暗号化通信の解読に数々の成功を収めました。ドイツの暗号機エニグマは、女性が操作することが多かった電気機械式爆弾によって初めて攻撃されました。陸軍の高官級通信に使用されていた、より高度なドイツのローレンツSZ 40/42暗号機を解読するため、マックス・ニューマンと彼の同僚はフラワーズにコロッサスの設計を依頼しました。フラワーズは1943年2月初旬から11ヶ月を費やし、最初のコロッサスの設計と構築を行いました。 1943年12月の機能試験の後、コロッサスはブレッチリー・パークへ出荷され、1944年1月18日に納品され、2月5日に最初のメッセージを攻撃しました。

 

コロッサスは世界初の電子デジタルプログラマブルコンピュータでした。多数の真空管（バルブ）を使用していました。紙テープ入力を備え、データに対して様々なブール論理演算を実行するように設定可能でしたが、チューリング完全ではありませんでした。9台のMk IIコロッサスが製造されました（Mk IはMk IIに改造され、合計10台になりました）。コロッサスMark Iには1,500個の熱電子バルブ（真空管）が搭載されていましたが、2,400個のバルブを搭載したMark IIはMark Iの5倍の速度と操作の簡便さを実現し、解読プロセスを大幅に高速化しました。

 

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Prita Diary 14082025

コンピュータ パート3
最初のコンピュータ
イギリスの機械工学者であり博学者でもあったチャールズ・バベッジは、プログラム可能なコンピュータの概念を創始しました。「コンピュータの父」と称される彼は、19世紀初頭に最初の機械式コンピュータを概念化し、発明しました。

 

差分機関の開発を経て、1822年に王立天文学会に提出した論文「天文表および数学表の計算への機械の応用に関する覚書」の中で、この発明を発表しました。彼は航海計算を支援するための設計も行い、1833年には、より汎用的な設計である解析機関の実現可能性に気づきました。プログラムとデータの入力は、当時ジャカード織機などの機械式織機を制御するために使用されていたパンチカードを介して機械に送られることになりました。出力用に、この機械にはプリンター、曲線プロッター、ベルが搭載されていました。また、後で読み取るための数字をカードにパンチすることもできました。この解析エンジンは、算術論理演算ユニット、条件分岐とループによる制御フロー、そして統合メモリを統合し、現代の言葉で言えばチューリング完全と言える汎用コンピュータの最初の設計となりました。

 

このマシンは時代を約1世紀も先取りしていました。彼のマシンの部品はすべて手作業で作らなければならず、これは数千の部品からなる装置にとって大きな問題でした。最終的に、英国政府が資金提供を停止することを決定したことで、このプロジェクトは解散しました。バベッジが解析エンジンを完成させることができなかった主な理由は、政治的および財政的な困難に加え、ますます高度なコンピュータを開発し、誰よりも速く進歩したいという彼の願望でした。それでも、彼の息子ヘンリー・バベッジは1888年に解析機関の計算ユニット（ミル）の簡略版を完成させました。彼は1906年に、このミルを用いて表の計算を成功裏に実演しました。

 

電気機械式計算機
レオナルド・トーレス・ケベドは1914年に出版された著書『オートマチックに関するエッセイ』の中で、バベッジが機械式階差機関と解析機関の構築に取り組んだ経緯を簡潔に記しています。この論文には、一連の値集合に対してax (y-z)2のような式を計算できる機械の設計図が掲載されています。機械全体は、条件分岐機能を備えた読み取り専用プログラムによって制御されることになっていました。彼はまた、浮動小数点演算の概念も提唱しました。 1920年、アリスモメーター発明100周年を記念して、トーレスはパリで電気機械式アリスモメーターを発表しました。この機械式アリスモメーターは、キーボードから算術問題を入力し、その結果を演算・印刷することで、電気機械式解析エンジンの実現可能性を実証しました。

 

アナログコンピュータ
20世紀前半には、多くの科学計算ニーズは、問題の直接的な機械的または電気的モデルを計算の基礎として用いる、ますます高度なアナログコンピュータによって満たされました。しかし、これらのコンピュータはプログラム可能ではなく、現代のデジタルコンピュータのような汎用性と精度を欠いていました。最初の近代的なアナログコンピュータは、1872年にウィリアム・トムソン卿（後のケルビン卿）によって発明された潮汐予測機でした。微分解析装置は、ホイールとディスクの機構を用いて積分によって微分方程式を解くように設計された機械式アナログコンピュータで、1876年に、より有名なウィリアム・トムソン卿の兄であるジェームズ・トムソンによって概念化されました。

 

機械式アナログコンピューティングの技術は、1931年にMITのヴァネヴァー・ブッシュによって完成された微分解析装置によって頂点に達しました。1950年代までに、デジタル電子コンピュータの成功により、ほとんどのアナログ計算機は終焉を迎えましたが、アナログコンピュータは1950年代を通じて、教育（計算尺）や航空機（制御システム）などの特殊な用途で使用され続けました。

 

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Prita Diary 13082025

コンピュータ パート2
歴史
20世紀以前
数千年もの間、計算を支援する機器が使用されてきました。その多くは、指と一対一の対応関係をとっています。最も初期の計数機器は、おそらく数え棒の一種でした。肥沃な三日月地帯全域で後世に記録保存に使われた機器には、中空の未焼成の粘土容器に封入された、家畜や穀物などの品物の個数を表す計数器（粘土製の球、円錐など）が含まれていました。計数棒の使用はその一例です。

 

そろばんは当初、算術計算に使用されていました。ローマのそろばんは、紀元前2400年頃にバビロニアで使用されていた機器から発展しました。それ以来、様々な種類の計算盤や計算表が発明されてきました。中世ヨーロッパの計算室では、金額を計算するために、テーブルの上にチェック柄の布を敷き、一定の規則に従ってマーカーを動かしていました。

 

デレク・J・デ・ソラ・プライスによると、アンティキティラ島の機械は、現存する最古の機械式アナログコンピュータと考えられている。この機械は天文位置の計算を目的として設計された。1901年、ギリシャのアンティキティラ島沖、キティラ島とクレタ島の間にあるアンティキティラ島の沈没船から発見され、紀元前100年頃のものとされている。アンティキティラ島の機械に匹敵する複雑な装置は、14世紀まで再び現れることはなかった。

 

天文学や航海に用いる計算・測定補助装置として、多くの機械装置が作られた。星座早見盤は、11世紀初頭にアブー・ライハン・アル＝ビールーニーによって発明された星図である。アストロラーベは、紀元前1世紀か2世紀にヘレニズム世界で発明され、しばしばヒッパルコスの作とされている。星座早見盤と屈折計を組み合わせたアストロラーベは、球面天文学における様々な問題を解くことができるアナログ計算機でした。機械式暦計算機と歯車を組み込んだアストロラーベは、1235年にペルシャのエスファハーンのアビー・バクルによって発明されました。アブー・ライハーン・アル＝ビールーニーは、西暦1000年頃に、歯車列と歯車を備えた初期の固定配線式知識処理機械である、最初の機械式歯車式太陰太陽暦アストロラーベを発明しました。

 

セクターは、比例、三角法、乗算、除算、そして平方根や立方根といった様々な関数の問題を解くために用いられる計算機器で、16世紀後半に開発され、砲術、測量、航海術に応用されました。

 

計算尺は、対数の概念が発表された直後の1620年から1630年頃、イギリスの牧師ウィリアム・オートレッドによって発明されました。これは、掛け算と割り算を行うための手動のアナログ計算機です。計算尺の開発が進むにつれて、目盛りが追加され、逆数、平方と平方根、立方と立方根、さらには対数や指数などの超越関数、円三角法や双曲三角法などの関数も計算できるようになりました。特殊な目盛りを持つ計算尺は、軽飛行機の時間と距離の計算に使用されたE6B円計算尺のように、日常的な計算を迅速に行うために今でも使用されています。

 

1770年代、スイスの時計職人ピエール・ジャケ・ドローは、羽根ペンを持って文字を書くことができる機械人形を製作しました。内部のホイールの数と順序を切り替えることで、異なる文字、つまり異なるメッセージを生成することができました。つまり、機械式に「プログラム」して指示を読み取ることができたのです。この人形は、他の2つの複雑な機械とともに、スイスのヌーシャテル美術史博物館に所蔵されており、現在も稼働しています。

 

1831年から1835年にかけて、数学者で技術者のジョヴァンニ・プラナは、滑車とシリンダーのシステムを用いて西暦0年から西暦4000年までの毎年の永久暦を予測し、閏年や昼の長さの変化も考慮できる万年暦機械を考案しました。1872年にスコットランドの科学者ウィリアム・トムソン卿が発明した潮汐予測機械は、浅瀬での航海に非常に役立ちました。滑車とワイヤーのシステムを用いて、特定の場所における一定期間の潮位予測を自動的に計算する機械でした。

 

微分解析装置は、微分方程式を積分によって解くように設計された機械式アナログコンピュータで、ホイールとディスクの機構を用いて積分を実行しました。 1876年、ウィリアム・トムソン卿は既にそのような計算機の実現可能性について議論していましたが、球面・円板積分器の出力トルクの限界に阻まれていました。微分解析装置では、1つの積分器の出力が次の積分器の入力、つまりグラフ出力を駆動していました。トルク増幅器は、これらの機械の動作を可能にした進歩でした。1920年代以降、ヴァネヴァー・ブッシュらは機械式微分解析装置を開発しました。

 

1890年代には、スペインの技術者レオナルド・トーレス・ケベドが、多項式の実根と複素根を解くことができる一連の高度なアナログ機械の開発に着手し、1901年にパリ科学アカデミーから発表しました。

 

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Prita Diary 07082025

コンピュータ パート1
コンピュータとは、一連の算術演算または論理演算（計算）を自動的に実行するようにプログラムできる機械です。現代のデジタル電子コンピュータは、プログラムと呼ばれる一般的な一連の演算を実行でき、これによりコンピュータは幅広いタスクを実行できます。コンピュータシステムという用語は、ハードウェア、オペレーティングシステム、ソフトウェア、および周辺機器を含む、名目上完全なコンピュータを指す場合もあれば、コンピュータネットワークやコンピュータクラスタのように、接続され連携して機能するコンピュータのグループを指す場合もあります。

 

電子レンジやリモコンなどのシンプルな専用機器から、産業用ロボットなどの工場用機器まで、幅広い産業製品や消費者向け製品でコンピュータが制御システムとして使用されています。コンピュータは、パーソナルコンピュータなどの汎用機器やスマートフォンなどのモバイルデバイスの中心に据えられています。何十億ものコンピュータとユーザーをつなぐインターネットも、コンピュータによって支えられています。

 

初期のコンピュータは計算のみを目的としていました。そろばんのようなシンプルな手動器具は、古代から人々の計算を助けてきました。産業革命の初期には、織機のパターンガイドといった、長時間を要する単調な作業を自動化する機械装置がいくつか開発されました。20世紀初頭には、より高度な電気機械が特殊なアナログ計算を行うようになりました。最初のデジタル電子計算機は第二次世界大戦中に開発され、電気機械式と熱電子管式の両方が使用されました。1940年代後半には最初の半導体トランジスタが登場し、1950年代後半にはシリコンベースのMOSFET（MOSトランジスタ）とモノリシック集積回路チップ技術が続き、1970年代にはマイクロプロセッサとマイクロコンピュータ革命が起こりました。それ以来、コンピュータの速度、電力、汎用性は飛躍的に向上し、トランジスタ数も急速に増加しました（ムーアの法則によれば、トランジスタ数は2年ごとに倍増しました）。これが20世紀後半から21世紀初頭にかけてのデジタル革命へと繋がりました。

 

現代のコンピュータは、一般的に少なくとも1つの処理要素（典型的にはマイクロプロセッサの形態をとる中央処理装置（CPU））と、何らかのコンピュータメモリ（典型的には半導体メモリチップ）で構成されています。処理要素は算術演算と論理演算を実行し、シーケンス制御ユニットは格納された情報に応じて演算の順序を変更できます。周辺機器には、入力デバイス（キーボード、マウス、ジョイスティックなど）、出力デバイス（モニター、プリンターなど）、そして両方の機能を備えた入出力デバイス（例：タッチスクリーン）が含まれます。周辺機器は、外部ソースから情報を取得し、演算結果を保存・取得することを可能にします。

 

語源
この言葉が現代的な意味を持つようになったのは20世紀半ばになってからのことです。オックスフォード英語辞典によると、「コンピュータ」という言葉が初めて使われたのは、1613年にイギリスの作家リチャード・ブラスウェイトが著した『若者の落穂拾い』という本の中で、別の意味で使われたそうです。「私は、この時代の最も真実なコンピュータと、この世で最も優れた算術師を読んだ。そして彼は汝の日々を短い数字に縮めたのだ。」この用法は、計算や演算を行う人間、つまり人間のコンピュータを指していました。この言葉は20世紀半ばまで同じ意味を持ち続けました。この時代後半には、男性よりも賃金が低いため、女性がコンピュータとして雇われることが多かったのです。1943年までに、人間のコンピュータのほとんどは女性でした。

 

オンライン語源辞典によると、「コンピュータ」の最初の使用は1640年代で、「計算する人」という意味で、これは「compute (動詞) から派生した動作名詞」です。オンライン語源辞典によると、この用語が「（あらゆるタイプの）計算機」という意味で使われ始めたのは1897年です。オンライン語源辞典によると、「プログラム可能なデジタル電子計算機」という意味での「現代的な用法」は、「この名称で1945年から、理論的にはチューリングマシンとして1937年から」です。現代のコンピュータは多くの高レベル機能を実行できますが、この名称は今も残っています。

 

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