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Prita Diary 04082025

2025-08-05 15:02:39 | 日記

コンピューターハードウェアパート4
入出力
ほとんどのコンピューターには、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搭載されています。最も一般的に使用されるのはユニバーサルシリアルバス（USB）です。内部バスとは異なり、外部バスはバスコントローラを介して接続され、周辺機器をCPUとは異なる速度で動作させることができます。入出力デバイスは、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）などが挙げられます。ネットワークインターフェースコントローラは、インターネットへのアクセスに使用されます。USBポートは接続されたデバイスへの電力供給も可能です。標準的なUSBポートは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、24ボルト、最大6アンペアの電力を供給できる場合があります。

売上高
2023年のコンピューターハードウェアの世界売上高は7,051億7,000万ドルに達しました。

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、古くなった部品や時代遅れの部品をリサイクルする動きが広がっています。コンピューターのハードウェアには、鉛、水銀、ニッケル、カドミウムなどの危険な化学物質が含まれています。EPA（環境保護庁）によると、これらの電子廃棄物は適切に処分されなければ環境に有害な影響を与えます。ハードウェアの製造にはエネルギーが必要であり、部品のリサイクルは大気汚染、水質汚染、そして温室効果ガスの排出を削減します。許可されていないコンピューター機器を廃棄することは違法です。法律では、政府認定施設を通じてコンピューターをリサイクルすることが義務付けられています。特定の再利用可能な部品を取り外すことで、コンピューターのリサイクルが容易になります。例えば、RAM、DVDドライブ、グラフィックカード、ハードドライブまたはSSD、その他の同様の取り外し可能な部品は再利用できます。

コンピューターの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、将来の製造に使用することができます。コンピューターやその他の電子機器に大量に含まれているスズ、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、新しいシステムの構築コストを削減できます。部品には、銅、金、タンタル、銀、白金、パラジウム、鉛といった、再生可能なその他の貴重な材料が含まれていることがよくあります。

有害なコンピューター部品
CPUには多くの有害物質が含まれています。金属板には鉛とクロムが含まれています。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ます。コンピューターの回路基板には水銀とクロムが含まれています。これらの材料や化学物質が不適切に廃棄されると、環境に有害な影響を与えます。

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な取り扱いをされたりすると、環境への悪影響が生じます。こうした毒素に関連する健康被害には、精神発達障害、がん、肺、肝臓、腎臓への損傷などがあります。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、多くの有害物質が含まれています。回路基板には鉛スズはんだが大量に含まれており、焼却により地下水に浸出したり、大気汚染を引き起こしたりする可能性が高くなります。

コンピューター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（EU）の廃電気電子機器指令（WED）と米国の国家コンピュータリサイクル法です。

コンピューターハードウェア廃棄物の最小化に向けた取り組み
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、いわゆる電子廃棄物（E-waste）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。電子リサイクル可能な製品には、テレビ、パソコン、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、コードやランプ、電池などが付いているもの（ただしこれに限定されません）が含まれます。

DellやAppleなどの企業は、自社製に限らず他社製のパソコンもリサイクルしています。そうでない場合は、病院、学校、大学などで古いパソコンをリサイクル・再生している団体であるComputer Aid Internationalにパソコンを寄付することもできます。

Prita Diary 01082025

2025-08-02 01:17:39 | 日記

コンピュータハードウェアパート3
電源
ほとんどのパーソナルコンピュータ用電源ユニットは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。

マザーボード
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。CPU、RAM、ディスクドライブ（CD、DVD、ハードディスクなど）、そして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品を接続する集積回路を搭載した基板です。コンピュータ内の集積回路（IC）チップには、通常、数十億個の微細な金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）が組み込まれています。

マザーボードに直接接続されている、または一部に接続されているコンポーネントには、以下のものがあります。

少なくとも1つのCPU（中央処理装置）。コンピュータの動作に必要なほとんどの計算を実行します。俗に「コンピュータの頭脳」と呼ばれることもあります。プロセッサは、ランダムアクセスメモリ (RAM) からプログラム命令を取得し、解釈して処理し、結果を送り返して、関連するコンポーネントが命令を実行できるようにします。CPU は、金属酸化膜半導体 (MOS) 集積回路 (IC) チップ上に製造されるマイクロプロセッサです。通常、ヒートシンクとファン、または水冷システムによって冷却されます。最近の CPU の多くには、オンダイグラフィックスプロセッシングユニット (GPU) が搭載されています。CPU のクロック速度は命令の実行速度を制御し、GHz 単位で測定されます。一般的な値は 1GHz から 5GHz です。また、並列処理を向上させるために、プロセッサにコアを追加して、各コアを独立したプロセッサのように動作させる傾向も高まっています。
内部バスは、CPU とメインメモリを複数の同時通信ライン (通常 50 から 100 本) で接続します。これらのラインは、アドレス指定またはメモリ、データ、およびコマンドまたは制御用に分かれています。かつてはパラレルバスの方が一般的でしたが、21世紀では、より多くの情報を同一の回線で送信できるシリアライザを備えたシリアルバスが一般的になっています。複数のプロセッサを搭載したコンピュータには相互接続バスが必要で、通常はノースブリッジによって管理され、サウスブリッジは低速の周辺機器やI/Oデバイスとの通信を管理します。
ランダムアクセスメモリ（RAM）。CPUがアクティブにアクセスしているコードとデータを、次にいつ使用されるかに基づいて階層的に格納します。レジスタはCPUに最も近いですが、容量は非常に限られています。CPUは通常、レジスタよりもはるかに大きい容量を持つキャッシュメモリ領域を複数備えていますが、メインメモリよりもはるかに小さいです。レジスタよりもアクセス速度は遅いですが、メインメモリよりもはるかに高速です。キャッシュは、CPUが必要とする前にデータをプリフェッチすることでレイテンシを削減します。CPUが必要とするデータがキャッシュにない場合は、メインメモリからアクセスできます。キャッシュメモリは通常SRAMで、メインメモリは通常DRAMです。RAMは揮発性であるため、コンピュータの電源を切ると内容が消失します。
永続ストレージまたは不揮発性メモリは、通常、メモリよりも容量が大きく安価ですが、アクセスに時間がかかります。歴史的には、このようなストレージは主にハードドライブの形で提供されていましたが、ソリッドステートドライブ（SSD）は安価になり、はるかに高速になったため、採用が拡大しています。USBドライブ、ネットワークストレージ、クラウドストレージも選択肢となります。
読み取り専用メモリ（ROM）。コンピューターの電源投入時、またはブートストラップ（起動）と呼ばれる実行開始時に実行されるBIOSを保存します。[要出典] ROMは通常、不揮発性BIOSメモリチップであり、特殊な技術を用いて一度だけ書き込みが可能です。
BIOS（基本入出力システム）には、ブートファームウェアと電源管理ファームウェアが含まれています。新しいマザーボードでは、BIOSの代わりにUnified Extensible Firmware Interface（UEFI）が使用されています。
CMOS（相補型MOS）バッテリー。BIOSチップ内の日付と時刻用のCMOSメモリに電力を供給します。このバッテリーは通常、時計の電池です。
パワーMOSFETは電圧レギュレータモジュール（VRM）を構成し、他のハードウェアコンポーネントに供給される電圧を制御します。

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され、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。拡張カードを使用すると、マザーボードに搭載されていない機能を取得または拡張できます。かつてはビデオプロセッサ用の拡張カードの使用が一般的でしたが、最近のコンピューターでは、マザーボードにGPUが統合されていることが多くなっています。

Prita Diary 30072025

2025-07-30 23:47:03 | 日記

コンピュータハードウェアパート2
コンピュータハードウェアシステムの種類
パーソナルコンピュータ
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、最も一般的なコンピュータの1つです。

デスクトップパーソナルコンピュータは、モニター、キーボード、マウス、そしてコンピュータケースで構成されています。コンピュータケースには、マザーボード、データストレージ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収納される場合があります。デスクトップコンピュータの中には、モニターとキーボードがプロセッサと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。
ノートパソコンは持ち運びやすさを重視して設計されていますが、デスクトップPCと同様に動作します。同価格帯のデスクトップコンピュータよりも低消費電力または小型のコンポーネントを使用しているため、パフォーマンスは低くなる場合があります。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つのケースに収めています。ケースの上部にある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。ノートパソコンには、マウスの代わりに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。
携帯電話は、大型コンピュータよりも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。

大型コンピュータ
メインフレームコンピュータは、通常、部屋いっぱいに収まるほどの大型コンピュータで、パーソナルコンピュータの数百倍から数千倍のコストがかかることもあります。政府機関や大企業向けに、膨大な計算を実行するように設計されています。
1960年代から1970年代にかけて、ますます多くの部門が、プロセス制御や実験室自動化といった特定の目的のために、より安価な専用システムを導入し始めました。ミニコンピュータ（通称ミニ）は、1960年代半ばに開発され、IBMやその直接的な競合他社のメインフレームや中型コンピュータよりもはるかに安価に販売された小型コンピュータの一種です。
スーパーコンピュータは数億ドルもすることもあります。浮動小数点演算や、完了に非常に長い時間（数週間など）を要するバッチプログラムの実行において、パフォーマンスを最大限に引き出すことを目的としています。並列プログラム間の通信が必要となるため、内部ネットワークの速度を優先する必要があります。
ウェアハウススケールコンピュータは、インターネット経由で提供されるサービスとしてのソフトウェア（SaaS）によって普及した、クラスターコンピュータの大型版です。倉庫とその中に設置されるコンピュータのコストは1億ドルを超える場合があり（コンピュータは数年ごとに交換する必要があるため）、その設計は操作あたりのコストと電力消費を最小限に抑えることを目的としています。 SaaS製品では可用性が不可欠ですが、スーパーコンピュータとは異なり、ソフトウェアは可用性の障害を補うように設計されています。

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するソフトウェアであり、IaaS（Infrastructure as a Service）やPaaS（Platform as a Service）でよく使用されます。

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、0.1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処理が可能で100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。

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みます。マザーボード、ディスクドライブ、電源などの内部部品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調整します。ケースは、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納できるスペースを備え、通常は床置き式です。一方、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。オールインワン型のデザインでは、ビデオディスプレイがケースに内蔵されています。ポータブルコンピューターやノートパソコンには、本体への衝撃保護機能を備えたケースが必要です。趣味のユーザーは、ケースを色付きのライトやペイントなどで装飾するケースモッディングと呼ばれるアクティビティを楽しむことがあります。

Prita Diary 29072025

2025-07-29 19:52:36 | 日記

コンピュータハードウェアパート1
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）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・ノイマンによって考案されたISAに基づいています。多くの図では演算ユニットと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は共有されており、演算ユニット内のビットが演算モードかI/Oモードかを示します。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。CISCでは、マシンが使用する命令数を最小限に抑えるために、より大きな演算命令セットを使用します。RISCでは、一般的に使用される命令はごくわずかであることから、命令セットを縮小して簡素化することで、より多くのレジスタを搭載できるようにしています。 1980年代にRISCが発明されて以来、パイプラインとキャッシュを用いて性能向上を図ったRISCベースのアーキテクチャが、特に電力消費や実装面積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端末といった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。トランジスタ密度の向上に加え、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。

21世紀における性能向上は、並列処理の活用拡大によって牽引されてきました。アプリケーションは、多くの場合、2つの方法で並列化可能です。1つは、同じ機能を複数のデータ領域にまたがって実行する（データ並列処理）こと、もう1つは、限られた相互作用で複数のタスクを同時に実行する（タスク並列処理）ことです。これらの並列処理は、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、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）を実装できるグラフィック処理装置（GPU）など、様々なハードウェア戦略によって実現されます。

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といった高レベルのハードウェアに関する事項を指します。メモリ階層構造により、アクセス速度が速い（かつ高価な）メモリはCPUに近い位置に配置され、大容量ストレージ用の低速で安価なメモリはCPUから遠い位置に配置されます。メモリは通常、プログラムとデータを分離し、攻撃者によるプログラムの改ざんを制限するために分離されています。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ており、オペレーティングシステムが有限の物理メモリの異なる領域に仮想メモリをマッピングします。

冷却
コンピュータ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、コンポーネントに損傷を与える可能性があります。多くのコンピュータチップは、過熱を防ぐために自動的にパフォーマンスを抑制します。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などの他のコンポーネント用のヒートシンクなど、過剰な熱を放散する機構が備わっています。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備えられていることがよくあります。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採用されています。空冷システムは小規模または古いデータセンターでよく使用されますが、液浸冷却（各コンピュータを冷却液で囲む）やダイレクト・ツー・チップ冷却（冷却液を各コンピュータチップに直接供給する）は高価になる場合がありますが、より効率的です。ほとんどのコンピュータは、冷却システムよりも強力な設計になっていますが、継続的な動作が冷却システムの能力を超えることはできません。コンピュータが熱く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）、ハードウェアを過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。プロセッサは、非アクティブなときには発熱を抑え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。電力供給と放熱はハードウェア設計において最も難しい側面であり、21世紀初頭以来、より小型で高速なチップの開発を阻む要因となってきました。性能向上には、それに見合ったエネルギー消費量と冷却需要の増加が不可欠です。

Prita Diary 28072025

2025-07-28 17:14:42 | 日記

コンピュータハードウェアパート1
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。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。

一方、ソフトウェアは、ハードウェアによって保存および実行できる一連の命令です。ハードウェアは、変更に対して「硬い」、つまり「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」のです。

ハードウェアは通常、ソフトウェアによって指示され、任意のコマンドまたは命令を実行します。ハードウェアとソフトウェアの組み合わせによって、使用可能なコンピューティングシステムが構成されますが、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
初期のコンピューティングデバイスは、17世紀に遡る古代のそろばんよりも複雑でした。フランスの数学者ブレーズ・パスカルは、歯車を使って加算と減算ができる装置を設計し、約50種類が販売されました。ゴットフリート・ライプニッツは1676年までに階段式計算機を発明しました。この計算機は除算と乗算も可能でした。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機はあまり機能的ではありませんでしたが、類似の装置（ライプニッツホイール）は1970年代まで使用されていました。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。バベッジはまた、完成に至らなかった汎用コンピュータも設計しました。その設計の多くは初期のコンピュータに組み込まれ、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まで含まれていました。

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汎用チューリングマシンを開発し、いかなるコンピュータも決定問題を解くことができないことを証明しました。万能チューリングマシンは、プログラム内蔵型コンピュータの一種で、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）の動作を模倣することができました。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つける役割を果たしています。それより以前、19世紀半ばには、数学者ジョージ・ブールがブール代数を発明しました。ブール代数は、すべての命題が真か偽かを判断する論理体系です。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部品をモデル化する回路の基礎となっています。1945年、チューリングはコンピュータ（自動計算エンジン）の設計を完成させましたが、結局は実現されませんでした。

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が構築されました。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・エイケンによってリレー式コンピュータが開発されました。エイケンはMARK Iを設計しました。また1945年には、ペンシルベニア大学でENIACプロジェクトに携わっていた数学者ジョン・フォン・ノイマンが、現代のコンピュータの基盤となるフォン・ノイマン・アーキテクチャを考案しました。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）、そして入出力（I/O）ユニットで構成されていました。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ました。つまり、プログラムとデータを隣接して配置するという彼のストレージ問題の解決策は、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・ボトルネックを引き起こし、システムのパフォーマンスを低下させることがよくありました。

コンピュータアーキテクチャ
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、さまざまな目標を優先順位付けする必要があります。設計者は、ハードウェア要件に加え、コンパイラから集積回路設計に至るまで、コンピューティングの様々な側面を深く理解していなければなりません。また、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。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部品が減少したため、部品コストは時間とともに低下しています。

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