PCのしくみ

コンピュータという言葉は、ある入力を受け入れ、ある出力を生成できるオブジェクトを指します。実際、人間の脳自体は洗練されたコンピューターであり、科学者たちはそれが年を追うごとにどのように機能するかについてさらに学んでいます。ただし、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含む電子デバイスを説明することです。

マイクロプロセッサは、瞬く間に複雑な計算を実行できる小さな電子デバイスです。マイクロプロセッサは、車、冷蔵庫、テレビなど、毎日使用する多くの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最もよく知られているデバイスは、パーソナルコンピュータまたはPCです。実際、コンピューターの概念は、PCという用語とほぼ同義語になっています。

PCの音を聞くと、ビデオ画面、キーボード、および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、タワー、ラップトップなど、さまざまな形式のPC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に関連付けられています。ただし、この記事では、PCを次の特性を備えた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。

PCの歴史は、エド・ロバーツという男がIntelによって設計されたマイクロプロセッサチップをベースにしたコンピュータキットを販売し始めた1970年代にまでさかのぼります。ロバーツは自分のコンピューターをAltair8800と呼び、組み立てられていないキットを395ドルで販売しました。人気のある電子機器は、1975年1月号でキットについての記事を掲載しましたが、ほぼ全員が驚いたことに、キットはすぐにヒットしました。このようにして、パソコンの時代が始まりました[出典：Cerruzi、Lasar ]。

Altair 8800は最初の本物のパーソナルコンピュータでしたが、数年後のApple IIのリリースが、人気のある家電製品としてのPCの始まりを示しました。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のAppleIIは、家庭や学校でコンピューター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などの新しいブランドがゲームに参入しました。

この記事では、PCの内部を調べて、その部品とその機能について説明します。また、PCの起動と実行に使用される基本的なソフトウェアについても確認します。次に、モバイルPCについて説明し、PCテクノロジの将来について検討します。

コンテンツ

1. コアPCコンポーネント
2. ポート、周辺機器、拡張スロット
3. PCの電源を入れる
4. PCオペレーティングシステム
5. PCの未来
6. ポータブルパーソナルコンピューティング

PCがどのように機能するかを確認するために、マシンを構成するために組み合わされた部品から始めましょう。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、コンピュータのケースにはキーボードと画面が含まれています。デスクトップPCの場合、ケースは通常、ライト、通気口、およびケーブルを接続する場所を備えたある種のボックスです。ケースのサイズは、小さな卓上ユニットから高い塔までさまざまです。大きなケースは、必ずしもより強力なコンピューターを意味するわけではありません。重要なのはその中身です。PCビルダーは、内部に収まるマザーボードのタイプ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、内側と外側を問わず、何らかの方法でマザーボードを介して接続されます。このページに記載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接続されています。これらには、コンピュータの電源がオフになったときにシステムクロックなどの情報を格納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リムーバブルコンポーネントのタイプと、外部デバイスを接続するために使用できるポートによって異なります。

電源-マザーボード上の交換可能なCMOSバッテリーから電力を供給されるCMOSを除いて、PCのすべてのコンポーネントは電源に依存しています。電源は、モバイルコンピュータの場合はバッテリー、デスクトップPCの場合は電源コンセントなど、ある種の電源に接続します。デスクトップPCでは、ケースの内側に電源が取り付けられており、外側に電源ケーブルが接続され、内側に数本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しますが、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します。

中央処理装置（CPU） -CPUは、しばしば単にプロセッサと呼ばれ、マイクロプロセッサを含むコンポーネントです。そのマイクロプロセッサはすべてのPCの操作の中心であり、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ています。 IntelとAMDはPC向けの最大のCPUメーカーですが、他にも市場に出回っています。 2つの一般的なCPUアーキテクチャは32ビットと64ビットであり、特定のソフトウェアが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。

ランダムアクセスメモリ（RAM） -最速のプロセッサでさえ、処理中に情報を格納するためのバッファが必要です。RAMは、カウンターがコックにあるとしてCPUにある：それはあなたがピックアップし、それらを使用する必要があるまで、食材やツールを使用して、待機して作業している場所として機能します。スピーディーな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が必要とするRAMのタイプを示します。

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ことを目的としたデバイスです。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格納されています。これらについては、後で詳しく説明します。このカテゴリには、CD、DVD、Blu-rayメディアの読み取りと書き込みに使用されるような光学ドライブも含まれます。ドライブは、古いIDE規格や新しいSATA規格など、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。

冷却装置-コンピュータが処理するほど、発生する熱も多くなります。 CPUや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、PCが過熱して、コンポーネントや回路にコストのかかる損傷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。ゲーマーなどの一部の真面目なコンピューターユーザーは、より激しい冷却要求に対処するように設計された、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することがあります。

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れいに折りたたまれ、ケース全体の空気の流れを妨げないように構成する必要があります。

PCは通常、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多くのコンポーネントを追加する方法について説明します。

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がありますが、他のマザーボードには、別のビデオカードにスライドできる拡張スロットと呼ばれるものが含まれています。どちらの場合も、PC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の負荷の一部を取り除きます。マザーボードは、古いAGP規格や新しいPCI規格の1つなど、特定のインターフェイスに基づくビデオカードを受け入れます。

ポート-ポートという言葉は、PCの外側でケーブルを接続できる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、用途別にポートを説明します。（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ため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接続されています。PCにあるポートには、次のものがあります。

周辺機器-PCのケース内に取り付けられていないハードウェアは、周辺機器と呼ばれます。これには、基本的な入力および出力デバイス（モニター、キーボード、マウス）が含まれます。また、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。必要な周辺機器（モニターなど）は、ラップトップには必要ありません。ラップトップには代わりにそれらが組み込まれています。

拡張スロット-マザーボードのどこかに指定されたスロットがないコンポーネントをPCに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含まれます。拡張スロットに収まるように設計された取り外し可能なコンポーネントは、おそらくフラットなカードのような構造のため、カードと呼ばれます。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レシーバー、およびその他の多くのカスタム追加を追加できます。カードは、レガシーISA / EISAタイプであるか、より一般的なPCI、PCI-X、またはPCI Expressタイプであるかにかかわらず、拡張スロットタイプと一致する必要があります。

PCの部品を見てきたので、電源ボタンを押して、何が起動するのかを見てみましょう。

PCの電源を最初に入れると、マシンは使用できるようになる前にいくつかの内部プロセスを経ます。これは、起動プロセス、またはPCの起動と呼ばれます。ブートはブートストラップの略で、古い格言「ブートストラップで自分を引き上げる」への言及です。これは、最初から何かを開始することを意味します。起動プロセスは、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格納されたソフトウェアです。PCでは、BIOSはマザーボードに組み込まれています。時折、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。注意深く指示に従って、アップデートされたソフトウェアで「BIOSをフラッシュ」することができます。

BIOSは、起動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、起動時にドライブを読み取る順序や、プロセッサの実行を許可する速度などを構成できます。PCのドキュメントをチェックして、BIOSインターフェイスに入る方法を確認してください。この情報は、コンピュータを最初に起動したときにも表示され、「DELを押してセットアップメニューに入ります」などのメッセージが表示されることがよくあります。

以下は、PCでの起動プロセスの概要です。

全員が電源を入れたので、次は何をしますか？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よって異なります。次のセクションでは、PC上でオペレーティングシステムがどのように機能するかを調べてみましょう。

PCの起動後、オペレーティングシステム（略してOS）を介してPCを制御できます。この記事の執筆時点では、ほとんどのApple以外のPCは、MicrosoftWindowsまたはLinuxディストリビューションのバージョンを実行しています。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するように設計されていますが、Mac OSXは主にAppleハードウェア用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、次の大まかなカテゴリに分類されます。

そこから、PC上でOSがどのように機能するかについての詳細については、オペレーティングシステムのしくみに関する記事を参照してください。また、特定のアプリケーションやデバイスがPC上でどのように機能するかを知りたい場合も確認してください。

それでは、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移植性の課題を克服した方法を見てみましょう。

最初のPCが市場に出て以来、より新しくより良いモデルにより、製造から数か月以内に古いモデルは時代遅れになりました。SATAなどのドライブテクノロジーがIDEに取って代わり、PCI拡張スロットがISAとEISAに取って代わりました。ただし、PCの技術進歩の最も顕著な指標は、その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年代からコンピューティングの世界の中心でした。その間、マイクロプロセッサメーカーは、より多くのトランジスタと拡張機能をマイクロプロセッサに詰め込んでいます。 1965年、Intelの創設者であるGordon Mooreは、マイクロプロセッサの複雑さは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か月ごとに倍増し、業界の専門家は予測をムーアの法則と呼んでいます。多くの専門家は、シリコンマイクロプロセッサの物理的な制限のためにムーアの法則がまもなく終了すると予測しています[出典：PBS ]。

ただし、この記事の執筆時点では、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、チップメーカーがトランジスタをシリコンにエッチングする新しい方法を常に模索しているためです。小さなトランジスタは現在、10億分の1メートルであるナノメートルで測定されています。原子自体は約0.5nmであり、マイクロプロセッサの最新の製造プロセスでは、45nmまたは32nmのトランジスタを製造できます。その数が少ないほど、より多くのトランジスタがチップに収まり、したがって、チップがより多くの処理能力を発揮できるようになります。 2011年5月の時点で、IntelはコードネームIvyBridgeという22nmの製造プロセスに取り組んでおり、Tri-Gateと呼ばれるエネルギー節約設計のトランジスタを使用しています[出典：BBC、Intel ]。

では、ムーアの法則の終わりに達するとどうなりますか？データを処理する新しい手段は、進歩が続くことを確実にするかもしれません。潜在的な後継者は、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ているものです。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ステート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がゲームを変えています。

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。それらは、情報を量子ビットまたはキュービットとしてエンコードします。キュービットは1または0にすることができます。あるいは、同時に1と0、またはその間のどこかにある重ね合わせに存在することもできます。量子ビットは、コンピュータ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一緒に機能している原子を表します。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数百万倍強力になる可能性があります。量子コンピューティング技術はまだ初期段階にありますが、科学者たちはすでにこの概念を実際の測定可能な結果で証明しています。この驚くべきブレークスルーの詳細については、量子コンピューターのしくみを確認してください。

量子コンピューターの能力が平均的なPCに到達するかどうかは時が経てばわかります。それまでの間、モバイルPCのおかげで、多くの処理能力を持ち運ぶことができます。これについては、次に説明します。

PCが登場する前から、コンピューターメーカーはポータブルコンピューターを概念化していた。1986年にラップトップのコンセプトを生産に持ち込んだのは12ポンドのIBMPCコンバーティブルでした。それ以来、ラップトップコンピューターは小型化および軽量化され、デスクトップPCと並んで処理能力が向上しました[出典：IBM ]。

今日、コンピューター業界は他のクラスのモバイルコンピューターを認識しています。1つのクラス、ノートブックは、ラップトップとほぼ同義になりました。この用語は元々、ラップトップの小さくて軽いいとこを示すために使用されていました。別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さく、しかも安価で強力ではありません。分類は、おそらくそのターゲットオーディエンスにちなんで名付けられています。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が必要なオーディエンスです。

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んでいます。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備えており、小さなパッケージに詰め込まれています。主な違いには、キーボードに加えて、またはキーボードの代わりに、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、携帯電話機能とタッチスクリーンテクノロジーが含まれます。

ソフトウェア側では、PCオペレーティングシステムも移植性を向上させています。たとえば、Google Chrome OSは、ウェブ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、ハードドライブスペースの必要性を最小限に抑えます。つまり、64 GBのソリッドステートドライブに制限されているネットブックは、500GBの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役立つ可能性があります。当然、Webに対応してい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。

この記事では、PCがどのように機能し、PCテクノロジーがどこに向かっているのかを見てきました。1つ確かなことは、PCが進化することです。それは速くなります。より多くの容量があります。そして、それは私たちの生活の不可欠な部分であり続けます。

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