コンピューターという言葉は、何らかの入力を受け入れ、何らかの出力を生成できるオブジェクトを指します。実際、人間の脳自体は高度なコンピューターであり、科学者はそれがどのように機能するかについて年々研究を進めています。しかし、コンピュータという言葉の最も一般的な使用法は、マイクロプロセッサを搭載した電子デバイスを表すことです。
マイクロプロセッサは、瞬く間にデータを処理できる小さな電子デバイスです。マイクロプロセッサは、自動車、冷蔵庫、テレビなど、毎日使用するさまざまなデバイスに搭載されています。マイクロプロセッサを搭載したデバイスとして最もよく知られているのは、パーソナル コンピュータ(PC) です。実際、コンピュータの概念は PC という用語とほぼ同義になっています。
PC について聞くとき、おそらく、ビデオ スクリーン、キーボード、マウスやタッチパッドなどのポインティング デバイスが接続された密閉型デバイスを想像するでしょう。デスクトップ コンピューター、タワー型、ラップトップ、ハンドヘルド型など、さまざまな形式のパーソナル コンピューターを想像することもできます。 PC という用語は、Intel プロセッサや Microsoft オペレーティング システムなどの特定のブランドを連想してきました。ただし、この記事では、PC を次の特性を持つより一般的なコンピューティング デバイスとして定義します。
- 一度に1人が使用できるように設計されています
- ユーザーとマイクロプロセッサ間のインターフェースとしてオペレーティング システムを実行します。
- CPU や RAM など、この記事で説明されている特定の共通の内部コンポーネントが含まれています。
- 特定の仕事や遊びのために設計されたソフトウェア アプリケーションを実行します。
- 必要に応じてハードウェアまたはソフトウェアを追加および削除できます
当初、コンピューターは巨大で、複数のユーザーがアクセスできる接続された端末を備えた大きな部屋を占有していました。 1970 年代、エド・ロバーツという男が、インテルが設計したマイクロプロセッサー・チップをベースにしたコンピューター・キットを販売し始めました。ロバーツ氏は自分のコンピュータを Altair 8800 と名付け、組み立て前のキットを 395 ドルで販売しました。 Popular Electronics は 1975 年 1 月号でこのキットについての記事を掲載しました。そして、ほぼ全員が驚いたことに、このキットはすぐにヒット商品になりました。こうして、パーソナルコンピュータの時代が始まりました。
Altair 8800 は最初のパーソナル コンピューターでしたが、PC が人気の家電製品としての始まりを告げたのは、数年後の Apple II のリリースでした。発明家のスティーブ・ジョブズとスティーブ・ウォズニアックが開発した Apple II は、家庭や学校でコンピュータの需要があることを証明しました。その後すぐに、IBM や Texas Instruments などの老舗コンピューター企業が PC 市場に参入し、Commodore や Atari などの新興ブランドも PC 市場に参入しました。
この記事では、PC の内部を調べて、その部品とその機能を調べます。 PC の起動と実行に使用される基本ソフトウェアも確認します。次に、モバイル PC について取り上げ、PC テクノロジーの将来について考察します。
コア PC コンポーネント
PC がどのように動作するかを理解するには、マシンを構成する部品 (コンピューター ハードウェア) から始めましょう。以下は、PC に共通のコンポーネントを、通常組み立てられる順序で示しています。
ケース:ラップトップを使用している場合、コンピューター ケースにはキーボードとスクリーンが含まれています。デスクトップ PC の場合、ケースは通常、照明、通気口、ケーブルを接続する場所を備えたある種の箱です。ケースのサイズは、小さな卓上ユニットから高いタワーまでさまざまです。ケースが大きいからといって必ずしもコンピューターの性能が高いとは限りません。重要なのはその中にあるものなのです。 PC ビルダーは、内部に適合するマザーボードの種類に基づいてケースを設計または選択します。
マザーボード: PC 内の主要な回路基板はマザーボードです。すべてのコンポーネントは、内側も外側も、マザーボードを介して何らかの方法で接続されています。このページにリストされている他のコンポーネントは取り外し可能であるため、マザーボードを交換せずに交換できます。ただし、いくつかの重要なコンポーネントはマザーボードに直接取り付けられています。これらには、コンピューターの電源がオフになっているときにシステム クロックなどの情報を保存する相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) が含まれます。マザーボードにはさまざまなサイズと規格があり、この記事の執筆時点で最も一般的なのは ATX と MicroATX です。そこから、マザーボードは、内部で処理するように設計された取り外し可能なコンポーネントの種類と、外部デバイスの接続に使用できるポートによって異なります。パワー ユーザー向けには、ポートと拡張スロット用のスペースが広い E-ATX フォーム ファクターもありますが、これを収容するには大きな PC ケースが必要です。
電源:マザーボード上の交換可能な CMOS バッテリーによって電力供給される CMOS (相補型金属酸化膜半導体またはマイクロチップ) を除き、PC 内のすべてのコンポーネントはその電源に依存しています。電源装置は、モバイル コンピュータの場合はバッテリ、デスクトップ PC の場合は電源コンセントなど、何らかの種類の電源に接続します。デスクトップ PC では、電源がケースの内側に取り付けられており、外側に電源ケーブル接続があり、内側にいくつかのケーブルが接続されています。これらのケーブルの一部はマザーボードに直接接続されますが、他のケーブルはドライブやファンなどの他のコンポーネントに接続されます。
中央処理装置 (CPU) : CPU は、単にプロセッサーと呼ばれることが多く、マイクロプロセッサーを含むコンポーネントです。このマイクロプロセッサは PC のすべての動作の中心であり、ハードウェアとソフトウェアの両方のパフォーマンスはプロセッサのパフォーマンスに依存します。 Intel と AMD は PC 用の最大の CPU メーカーですが、市場には他の CPU も見つかります。一般的な CPU アーキテクチャは 32 ビットと 64 ビットの 2 つで、特定のソフトウェアはこのアーキテクチャの違いに依存していることがわかります。最新の CPU 設計には通常、複数のタスクを一度に効率的に完了できるように 4 つ以上のコアが含まれています。
ランダム アクセス メモリ (RAM):最速のプロセッサでも、処理中に情報を保存するためのバッファが必要です。料理人にとってのカウンタートップと同じように、 RAMは CPU にとって重要です。作業中の食材や道具を、手に取って使用する必要があるまで待機させる場所として機能します。高速な PC には、高速な CPU と十分な量の RAM の両方が必要です。各 PC には処理できる RAM の最大量があり、マザーボード上のスロットは PC に必要な RAM のタイプを示します。 DDR-4 は、現在ほとんどのマザーボードでサポートされている RAM チップ DD のタイプですが、一部のシステムはより新しく高速な DDR-5 標準にもアップグレードされています。
ドライブ:ドライブは、使用されていないときにデータを保存するためのデバイスです。ハード ドライブまたはソリッド ステート ドライブには、PC のオペレーティング システムとソフトウェアが保存されます。これについては後ほど詳しく説明します。多くのシステムでは、ストレージを拡張するために追加のドライブを取り付ける余地もあります。このカテゴリには、CD、DVD、Blu-ray メディアの読み取りおよび書き込みに使用される光学ドライブなども含まれます。ドライブは、古い IDE 標準や新しい SATA 標準など、使用するドライブ コントローラ テクノロジのタイプに基づいてマザーボードに接続します。現在のラップトップおよびミニ コンピューターは、マザーボードに直接取り付けられた M.2 コネクタ ピンを介して接続するコンパクトな NVME SSD を使用している可能性があります。
冷却装置:コンピューターの処理が増えるほど、より多くの熱が発生します。 CPU およびその他のコンポーネントは、ある程度の熱を処理できます。ただし、PC が適切に冷却されていないと過熱し、コンポーネントや回路に多大な損害を与える可能性があります。ファンは、PC を冷却するために使用される最も一般的なデバイスです。さらに、CPU はヒートシンクと呼ばれる金属のブロックで覆われており、CPU から熱を奪います。ゲーマーなど一部の本格的なコンピュータ ユーザーは、より激しい冷却要求に対処するために設計された、水冷システムなどのより高価な熱管理ソリューションを使用していることがあります。
ケーブル:これまでに説明したすべてのコンポーネントは、ケーブルの組み合わせによって接続されています。これらのケーブルは、データ、電力、またはその両方を伝送するように設計されています。 PC は、ケーブルがケース内できちんと折り畳まれ、ケース全体の空気の流れを妨げないように構築する必要があります。
通常、PC はこれらのコア コンポーネントをはるかに超えています。次に、コンピューターとの対話を可能にするポートと周辺機器、および拡張スロットを使用してさらにコンポーネントを追加する方法を見ていきます。
ポート、周辺機器、拡張スロット
これまで見てきたコア コンポーネントは、PC の中央処理能力を構成します。ただし、PC は人間のユーザーや他のコンピューターと対話するために追加のコンポーネントを必要とします。これを実現する PC パーツは次のとおりです。
グラフィックス コンポーネント:一部のマザーボードにはオンボード グラフィックスが搭載されていますが、他のマザーボードには、GPU (グラフィックス プロセッシング ユニット) とも呼ばれる別のビデオ カードをスライドさせて挿入できる、いわゆる拡張スロットが含まれています。どちらの場合も、PC 内のビデオ コンポーネントは、画面に送られる複雑なグラフィック データの一部を処理し、CPU の負荷の一部を軽減します。マザーボードは、古い AGP 標準や新しい PCI 標準など、特定のインターフェイスに基づいたビデオ カードを受け入れます。最新のビデオ カードは、高いパフォーマンスを実現するために専用のビデオ RAM と追加の冷却ファンを必要とするため、PC ケース内で大きなスペースを占めることがあります。
ポート: ポートという言葉は、ケーブルを接続できる PC の外側の場所を表すためによく使用されます。 USB ポートやイーサネット ポートなど、ポートを用途別に説明します。 (ポートという言葉は、2 つのハードウェアが通信しようとするときのソフトウェア接続を表すのにも使用されることに注意してください。) 多くのポートはマザーボードに直接取り付けられています。 PC にあるポートには次のようなものがあります。
- USBポート
- ネットワークポート、通常はイーサネット
- ビデオ ポート、通常は VGA、DVI、 HDMI 、または DisplayPort の組み合わせ
- オーディオ ポート、通常はミニ アナログ オーディオ ジャックまたは光オーディオの組み合わせです。 HDMI および DisplayPort 規格では、ビデオに加えてデジタル オーディオ出力もサポートしています。
- レガシー ポート、または現代のコンピュータではほとんど使用されていない古い標準に準拠したポート (キーボードとマウス用のパラレル プリンタ ポートや PS2 ポートなど)
周辺機器: PC ケース内に取り付けられていないハードウェアはすべて、周辺機器と呼ばれます。これには、モニター、キーボード、マウスなどの基本的な入出力デバイスが含まれます。プリンター、スピーカー、ヘッドフォン、マイク、ウェブカメラ、USB フラッシュ ドライブも含まれます。 PC のポートに接続できるものはすべて、PC の周辺機器の 1 つです。必須の周辺機器 (モニターなど) はラップトップでは必要なく、代わりに内蔵されています。
拡張スロット:マザーボード上のどこかに指定されたスロットがない PC にコンポーネントを追加したい場合があります。そのため、マザーボードには一連の拡張スロットが搭載されています。拡張スロットにフィットするように設計された取り外し可能なコンポーネントはカードと呼ばれます。これはおそらく、平らなカードのような構造のためです。拡張スロットを使用すると、ビデオ カード、ネットワーク カード、プリンタ ポート、TV 受信機、その他多くのカスタム機能を追加できます。カードは、従来の ISA/EISA タイプ、より一般的なPCI 、PCI-X、PCI Express タイプ、または新しい M.2 規格のいずれであっても、拡張スロットのタイプと一致する必要があります。
PC の各部を見てきたので、電源ボタンを押して何が起動するのか見てみましょう。
PC の電源を入れる
初めて PC の電源を入れると、マシンは使用できる状態になるまでにいくつかの内部プロセスを経ます。これは、ブート プロセスまたは PC のブートと呼ばれます。 Boot はブートストラップの略で、「ブートストラップで自分を引き上げる」という古い格言に由来しており、最初から何かを始めることを意味します。ブート プロセスは、PC の基本入出力システム ( BIOS ) によって制御されます。
BIOS はフラッシュ メモリ チップに保存されているソフトウェアです。 PC では、BIOS はマザーボードに組み込まれています。場合によっては、PC メーカーが BIOS のアップデートをリリースすることがあります。その場合は、アップデートされたソフトウェアを使用して「BIOS をフラッシュ」するための指示に注意深く従うことができます。
BIOS は、ブート プロセスの制御に加えて、PC のハードウェア コンポーネントの基本的な構成インターフェイスを提供します。そのインターフェイスでは、起動中にドライブを読み取る順序やプロセッサの実行速度などを構成できます。 BIOS インターフェイスに入る方法については、PC のマニュアルを参照してください。この情報は、コンピュータを初めて起動するときにも、「DEL を押してセットアップ メニューに入ります」などのメッセージとともに表示されることがよくあります。
PC のブート プロセスの概要は次のとおりです。
- 電源ボタンは PC の電源をアクティブにし、マザーボードやその他のコンポーネントに電力を送ります。
- PC は電源投入時自己テスト (POST) を実行します。 POST は、ハードウェアの障害をチェックする BIOS 内の小さなコンピュータ プログラムです。 POST 後の 1 回のビープ音は、すべてが正常であることを示します。他のビープ音シーケンスはハードウェア障害を通知し、PC 修理専門家はこれらのシーケンスをチャートと比較して、どのコンポーネントに障害が発生したかを判断します。
- PC の接続されたモニターに、起動プロセスの詳細を示す情報が表示されます。これらには、BIOS の製造元とリビジョン、プロセッサの仕様、搭載されている RAM の量、検出されたドライブが含まれます。多くの PC では、この情報の表示が、メーカーのロゴを表示するスプラッシュ画面に置き換えられています。テキストを表示したい場合は、BIOS 設定でスプラッシュ画面をオフにすることができます。
- BIOS は、ブート ディスクとして指定されたドライブの最初のセクターにアクセスしようとします。ドライブが最初に使用可能なストレージ アドレスから順番に読み取られる場合、最初のセクターは、シーケンスのディスクの最初のキロバイトになります。通常、ブート ディスクは、オペレーティング システムが含まれているのと同じハードディスクまたはソリッド ステート ドライブです。 BIOS を構成するか、キー シーケンス (ブート画面に表示されることが多い) でブート プロセスを中断することによって、ブート ディスクを変更できます。
- BIOS は、ブート ディスクの最初のセクターにブートストラップ ローダー (ブート ローダー) があることを確認し、そのブート ローダーをメモリ (RAM) にロードします。ブート ローダーは、PC のオペレーティング システムを検索して起動するように設計された小さなプログラムです。
- ブート ローダーがメモリに配置されると、BIOS はその作業をブート ローダーに引き渡し、ブート ローダーがオペレーティング システムのメモリへのロードを開始します。
- ブート ローダーはタスクを完了すると、PC の制御をオペレーティング システムに渡します。これで、OS はユーザーとの対話を開始できるようになります。
全員がパワーアップしたところで、次は何でしょうか？ PC の動作の大部分は、使用するオペレーティング システムに依存します。次のセクションでは、オペレーティング システムがPC 上でどのように動作するかを調べてみましょう。
PC オペレーティング システム
PC が起動すると、オペレーティング システム(略して OS) を通じて PC を制御できるようになります。この記事の執筆時点では、Apple 以外のほとんどの PC では、Microsoft Windows またはLinuxディストリビューションのバージョンが実行されています。これらのオペレーティング システムはさまざまな種類の PC ハードウェアで実行できるように設計されていますが、 Mac OS Xは主に Apple ハードウェア向けに設計されています。
オペレーティング システムはいくつかのタスクを担当します。これらのタスクは、次の広いカテゴリに分類されます。
- プロセッサ管理は、プロセッサの作業を管理可能なチャンクに分割し、CPU に送信する前に優先順位を付けます。
- メモリ管理は、 RAM に出入りするデータ フローを調整し、不足している RAM を補うためにハードディスク上の仮想メモリをいつ使用するかを決定します。
- デバイス管理は、コンピュータの内部コンポーネントとコンピュータに接続されている各デバイスとの間にソフトウェア ベースのインターフェイスを提供します。例としては、キーボードまたはマウスの入力を解釈したり、グラフィック データを適切な画面解像度に調整したりすることが含まれます。インターネット接続の管理を含むネットワーク インターフェイスもデバイス管理バケットに分類されます。
- ストレージ管理は、ハード ドライブ、ソリッド ステート ドライブ、USB ドライブ、その他の形式のストレージ上のどこにデータを永続的に保存するかを指示します。たとえば、ストレージ管理タスクは、ドキュメントの作成、読み取り、編集、移動、コピー、削除を支援します。
- アプリケーション インターフェイスは、ソフトウェア プログラムと PC 間のデータ交換を提供します。アプリケーションは、使用しているオペレーティング システムのアプリケーション インターフェイスで動作するようにプログラムする必要があります。多くの場合、アプリケーションは特定のバージョンの OS 用に設計されています。これは、アプリケーションの要件に「Windows 10 以降」または「64 ビット オペレーティング システムでのみ動作します」などのフレーズで表示されます。
- ユーザー インターフェイス (UI) は、コンピュータと対話するための方法を提供します。たとえば、グラフィカル ユーザー インターフェイス (GUI) を使用すると、ユーザーはテキスト コマンドの代わりにアイコンや音声を介してコンピュータまたはハンドヘルド機器と対話できます。これを最初に使用したのは Apple ですが、現在ではすべてのオペレーティング システムが使用しています。 /\r\n/
ここで、PC 全体の将来と、PC メーカーがモバイル コンピューティングのポータビリティの課題をどのように克服したかを見てみましょう。
PC の未来
最初の PC が市場に登場して以来、より新しく優れたモデルが登場し、製造から数か月以内に古いモデルは時代遅れになってしまいました。 SATA などのドライブ テクノロジがIDEに置き換わり、 PCI拡張スロットが ISA および EISA に置き換わりました。ただし、PC の技術進歩を示す最も顕著な指標は、CPU とその CPU 内のマイクロプロセッサです。
シリコン マイクロプロセッサは、1950 年代以来コンピューティング世界の中心となってきました。その間、マイクロプロセッサのメーカーは、より多くのトランジスタと機能強化をマイクロプロセッサに詰め込んできました。 1965 年、Intel の創設者ゴードン ムーアは、マイクロプロセッサの複雑さが 2 年ごとに 2 倍になると予測しました。それ以来、その複雑さは 18 か月ごとに 2 倍になり、業界の専門家はこの予測をムーアの法則と名付けました。多くの専門家は、シリコン マイクロプロセッサの物理的限界により、ムーアの法則は間もなく終焉を迎えると予測しています 。
ただし、この記事を書いている時点では、プロセッサのトランジスタ容量は増加し続けています。これは、チップメーカーがシリコン上にトランジスタをエッチングする新しい方法を常に見つけているためです。小さなトランジスタは現在、1メートルの10億分の1であるナノメートル単位で測定されています。原子自体は約0.5nmです。トランジスタが小さくなると、より多くのトランジスタを 1 つの CPU に搭載できるようになり、相対的な処理能力が向上します。 2023 年に、Intel は厚さ 10 ナノメートルのトランジスタを使用する Raptor Lake CPU アーキテクチャを発売しました。さらに、IBM は を使用してプロトタイプ チップを作成しました。これは原子の幅がわずか 4 つですが、消費者向けアプリケーションは少なくとも数年先になります。
では、ムーアの法則の終わりに達すると何が起こるのでしょうか?データ処理の新しい手段により、確実に進歩が続く可能性があります。後継となる可能性のあるものは、プロセッサの基本的な計算機能を実行するためのより強力な手段であることが証明されたものです。シリコン マイクロプロセッサは 50 年以上にわたって従来の 2 状態トランジスタに依存してきましたが、量子コンピュータなどの発明により状況が変わりつつあります。
量子コンピューターは、1 または 0 の 2 つの状態に限定されません。情報を量子ビット (量子ビット) としてエンコードします。量子ビットは 1 または 0 であることも、1 と 0 またはその間のどこかである重ね合わせの中に存在することもできます。量子ビットは、コンピュータのメモリとマイクロプロセッサの両方として機能するために連携して動作する原子を表します。量子コンピューターはこれらの複数の状態を同時に含むことができるため、今日の最も強力なスーパーコンピューターよりも何百万倍も強力になる可能性があります。
現在の量子コンピューターは巨大な金色の塔のように見え、家庭にあるどのコンピューターよりも精巧な宝石に似ています。このテクノロジーはまだ歴史が浅く、ほとんどの場合、実験室でしか存在しません。ただし、IBM は現在、大学や研究会社がクラウド インターフェイスを介してアクセスして、複雑な方程式を解いたり、物理シミュレーションを実行したりできる量子マシンを維持しています。
量子コンピューターの能力が一般的な PC に普及するかどうかは、時間が経てばわかります。それまでの間は、次に説明するモバイル PC のおかげで、まだ大量の処理能力を持ち歩くことができます。
ポータブルパーソナルコンピューティング
PC が登場する前から、コンピュータ メーカーはポータブル コンピュータを構想していました。 1986 年に をもたらしたのは、12 ポンド (5 キログラム) の IBM PC Convertible でした。それ以来、ラップトップ コンピューターは小型化、軽量化され、その処理能力はデスクトップ PC と同様に向上しました。
現在、コンピュータ業界では、他のクラスのモバイル コンピュータも認識されています。クラスの 1 つであるノートブック コンピューターは、ラップトップとほぼ同義になっています。この用語はもともと、ラップトップのより小型で軽量な製品を指すために使用されていました。もう 1 つのクラスであるネットブックは、ノートブックよりもさらに小型ですが、価格も安く、性能も劣ります。この分類はおそらく、対象ユーザー、つまりインターネットを使用するための非常に基本的なインターフェイスを必要とするユーザーにちなんで名付けられたものと思われます。
モバイル コンピューティングは、ノートブックやネットブックよりもさらに進化しています。多くのスマートフォンやタブレットは、ノートブックと同じくらいの処理能力を、より小さなパッケージに詰め込んでいます。主な違いとしては、画面サイズと解像度が小さいこと、外部ポートが少ないこと、携帯電話機能とキーボードに加えて、またはキーボードの代わりにタッチ スクリーン テクノロジが搭載されていることなどが挙げられます。スペースが限られているため、携帯電話には通常、より少ない量の RAM が搭載されています。
ソフトウェア面でも、PC オペレーティング システムの移植性が向上しています。たとえば、Google Chrome OS は、Web アプリケーションとクラウド ストレージへのアクセスに依存することで、ハード ドライブの空き容量の必要性を最小限に抑えます。これは、64 GB ソリッド ステート ドライブに制限されたネットブックでも、500 GB ディスク ドライブを搭載したラップトップと同じくらい便利になる可能性があることを意味します。当然ながら、Web 対応ではない大規模なアプリケーションは、この省スペースの利点の例外です。
