ガイダンス補足 • 出欠 出席者は記録をとるように （ただし、原則として出席は点数化しない） • 講義中 – 第2章より高校までの（数学＋社会）÷２のよう な板書中心になるので、ノートの筆記が重要 – ただし、第1章（本日分）は、スライド中心 （スライドは近日中にWebにアップロードする予定） 前回の復習 • コンピュータはセマンティク・ギャップが大きい – semantic（形）=意味論の・語義論の • コンピュータは、決して、人間が考えるように 何かをしてるわけではない • 汎用性 – 「コンピュータは汎用性がある道具」といわれる – コンピュータの汎用性とは？ §１ 計算機械から コンピュータへ コンピュータの発明者は誰か？ コンピュータの歴史（1/2） コンピュータの歴史を知る意義 1. 何がコンピュータかを理解する （セマンティック・ギャップを埋める） 2. 初代のコンピュータの原理 ＝現在のコンピュータの原理 • • ６０年間原理は何も変わっていない！ 従って、単なる昔話ではない。 コンピュータの歴史（2/2） 歴史を知るための文献 1. 「誰がどうやってコンピュータを創ったのか？」 （星野力、共立出版） 2. 「コンピュータ開発史」（大駒誠一、共立出版） 3. 「Brains～コンピュータに賭けた男たち～（１・２ 巻）」 （作：伊藤智義 ・画：久保田眞二、集英社（ビジネスジャ ンプにて連載）、ただし出版社品切れ中） 数の計算の必要性 BC 50C 古代 中世 AC18・19C 近代 AC20C 現代 ピラミッドの建築 （建材・人員の計算） 暦・天文学 経済活動 商取引 貨幣の流通・税金 科学のめばえ（ルネッサンス） 産業革命（機械生産） 科学技術計算 国勢調査 競馬のオッズ計算 兵器開発（第二次世界大戦） 世論調査・金融 計算機械に必要な機能 問い：人に代わって計算（仮に、足し算） をしてくれる道具、計算機械を作りたい。 もたせるべき機能を挙げてみよう。 （例１） １２４ ＋ ２３４ ３５８ （例２） １２４ ＋ ７３８ ８６２ 初期の計算機械 • そろばん（加減乗除） – 少なくともローマ時代（2-3C）には使われていた • ネピアの骨（乗除） – ネピア（1550-1617） – 九九表を使いやすく配置 4 7 9 4 7 9 Ⅱ 8 1 4 1 8 Ⅲ 1 2 2 1 2 7 Ⅳ 1 6 2 8 3 6 Ⅴ 2 0 3 5 4 5 Ⅵ 2 4 4 2 5 4 Ⅶ 2 8 4 9 6 3 Ⅷ 3 2 5 6 7 2 Ⅸ 3 6 6 3 8 1 Ⅰ ネピアの骨で 計算（その１） 479×8=? ネピアの骨で 計算（その２） 4 7 9 4 7 9 Ⅱ 8 1 4 1 8 Ⅲ 1 2 2 1 2 7 Ⅳ 1 6 2 8 3 6 Ⅴ 2 0 3 5 4 5 千 Ⅵ 2 4 4 2 5 4 3 (2+5) (6+7) 2 Ⅶ 2 8 4 9 6 3 3 (7+1) 3 2 Ⅷ 3 2 5 6 7 2 3 8 3 2 Ⅸ 3 6 6 3 8 1 Ⅰ 479×8=? 百 十 一 加減算の自動化（１） パスカリーヌ パスカル（1623-1662） 哲学者（「人間は考える葦である。」） 物理学者（パスカルの原理・気圧の単位） 税務官吏を父にもつ 繰り上がり機能付き歯車（HD） 累算器（現在の数値に新しい数値を加え記憶） 演算装置（加算）と（数の）記憶装置の役割 累算器を結合し（１）一桁の加算と（２）桁上げ機構を実現 フランスの通貨 1ソル＝12ドゥニエ 1リーブル＝20ソル 53台作って10～15台売れた 加減算の自動化（２） シッカートの計算機 – – – パスカリーヌより先（1623） ケプラーが利用 シッカート（1571-1630） チュービンゲン大学（ドイツ）のヘブライ語教授 – – 乗算部：ネピアの骨 加減算部：繰り上がり機能付き歯車（累算器） 累算器 現在の数値に与えられた数値を追加する機 能をもった装置 – 演算機能：憶えている数値に与えられた数値 を加える – 記憶機能：次々と更新される数値を憶えてい る 例：カウンター：指示により一ずつ増える ０⇒１⇒２⇒３⇒４⇒ 計算機械：循環する累算器を結合 ０⇒１⇒２⇒３⇒…⇒７⇒８⇒９ 乗除算の自動化（1） • 手回し計算機 – ライプニッツの計算機（1700） • ライプニッツ（1646-1716） 数学者（微積分の記号（dy/dx, ∫）） – オドナーの計算機 仕様を公開し世界的に広まる – タイガー計算器（HD）（大本寅治郎） • 計算の仕方（HD） 乗除算の自動化（2） • 乗除算の機械化の仕組み – 乗算＝和算の繰り返し – つまり、乗算は従来の計算機械で計算可能 ex. 256×3=256+256+256（３回転） – これを累積器で実現 計算機械 のさらなる発展 大学出の初任給 • 手回し計算機 • 電動計算機 手回し部をモーターで 1960'sのベンツ 演算部の電子化 • 電卓（電子卓上計算機） 計算機械 計算機械に共通した仕組み 入力装置 演算装置 出力装置 入力装置：計算対象（被加算数・加算数）の入力 演算装置：累算器による （１）一桁の計算（２）桁上げ の実現 出力装置：結果の表示機能 そろばんにも、入力装置・演算装置・出力装置が 揃っているか考えてみよう 前回の復習 • 文明の発祥以来われわれは数を計算してきた • 計算の効率化のため計算機械が発明され、改良 が続けられた – 計算は累算器によりに機械化できる – 改良の結果、最新鋭のものが電卓 – 電卓の演算装置はコンピュータの演算装置と質的な差 はない（もちろん性能の差はある） – 実際、初期のPCは、電卓のために設計されたLSIを流用 することから始まった • しかし、計算機械ではまだわれわれはコンピュータ とよばない • それは、なぜか？ 計算機機械に足らないもの（1/2） 大学出の初任給 • 手回し計算機 • 電動計算機 手回し部をモーターで 1960'sのベンツ 演算部の電子化 • 電卓（電子卓上計算機） • コンピュータ（１９４０年代） いくら機械化を 進め便利に なっても、計算 機械は計算機 械 コンピュータと は呼ばれない 計算機機械に足らないもの（2/2） 1. 目的：計算機械（そろばんや電卓）もコンピュータ も計算するという目的の点では同じ • コンピュータ（computer) compute = calculate(計算する）, estimate(評価する） • もちろん、コンピュータは文字や画像も処理することが出来るが 2. 計算機械の仕組み – – 演算装置（累算器）による計算の機械化 方式には、歯車から電子式（LSI（コンピュータの部 品））までいろいろ 入力装置 演算装置 出力装置 計算機械がコンピュータとなるには 何が足らないのか？ コンピュータの父 少なくとも３人いる • バベッジ（英・ 1791-1871・数学者） （HD） • ツーゼ（独・1910-1995・エンジニア）（HD) • アタナソフ（米・1903-1995・物理学者）（HD） コンピュータの発明（考案） バベッジ(1791-1871) – 数学者（ケンブリッジ大学ルーカス講座教授職） #2ニュートン、#17ホーキング – コンピュータの父 – 階差機関と解析機関を発明（但し製作には不成 功） 計算機械 コンピュータ ＊情報処理の教科書でも、両者が区別されていなかった り、混同されていることが多い。 階差機関とは（１） • 数表の危機 数表：建築・航海等における現場で必要なデー タをあらかじめ計算し表にしたもの 数表に頻繁な間違い（計算ミス・印刷ミス） 船が遭難することも 当時英国は、資本主義経済の世界的中心地で あった。世界各地を植民地支配しており、数表 作成は国策的大事業 • 階差機関の目的 計算の自動化＋印刷の自動化 階差機関とは（２） べき式の計算 例： ｘ 1 ｙ 19 2 43 3 93 4 181 5 319 6 519 y 2 x3 x 2 7 x 9 階差機関とは（3）階差とは べき式の階差 例： ｘ 1 ｙ 19 y 2 x3 x 2 7 x 9 第1階差 第2階差 第3階差 24 2 43 26 50 3 93 12 38 88 4 181 12 50 138 5 319 62 200 6 519 12 階差機関とは（4）階差とは べき式の階差 例： y 2x3 x 2 7 x 9 x 1 y 19 •(x+1)3 – x3=(x3+3x2+3x+1)-x3 第1階差 24 2 43 50 3 4 5 6 93 •(x+1)2 – x2=(x2+2x+1)-x2 = 2x+1 88 •(x+1) – x=1 138 つまり、階差をとるとべきの次数が下 がる 200 従って、階差をとり続けるといつかは べきの次数がゼロ、つまり、定数とな る 181 319 519 = 3x2+3x+1 階差機関とは（5） ｘ 1 ｙ 19 第1階差 第2階差 第3階差 ① 24 2 ② 26 43 ④ 12 ③ 50 3 ⑤ 38 93 ⑦ 12 ⑥ 88 4 ⑧ 50 181 ⑨ 138 5 319 19 24 26 12 一つ一つが 累算機 （数を記憶する 装置） 階差機関とは（6） べき式の階差 3 2 y 2 x x 7x 9 例： 2 x x x x x 7 x 9 x=1, 2, 3, 4, 5, 6 の値を求める • まじめに計算 – – • 各計算毎に、掛け算４回、足し算３回 全部で、掛け算２４回、足し算１８回 階差により計算 – 全部で、足し算９回 （注）掛け算が介在しないことは省エネ効果絶大 x=1.001, 1.002, 1.003, 1.004, 1.005, 1.006 のように、桁数が大きくなればなるほど（精度が必要になれ ばなるほど）、掛け算の労力は大きい。 階差機関プロジェクトとその挫折 • 階差機関プロジェクト バベッジ（設計）とクレメント（技術者） 英国政府17,000ポンド＋バベッジ私財20,000ポンド （cf.蒸気機関車784ポンド） 10年間で資金打ち切りに • プロジェクトの失敗理由 – 機械精度×（ガセびあ） １９８５年の再現プロジェクトで動いた – クレメント（不正経理の疑いも）との確執○ がせビア • トリビアとは？ – 「トリビアの泉」 • 2002年10月深夜から始まるフジテレビのバラエティ番組 – トリビア • 番組では、トリビア＝役に立たない雑知識 • trivial（形）ささいな、つまらない、あたりまえ • ガセビアとは？ – トリビアに似て非なる全くのでたらめ… （タモリ） – 都市伝説の知識版 – 「嘘つき！」（緒川たまき） 解析機関とは（1） • ジャカード織機（HD） – ジャカール（仏、1752-1821）の発明 – 織物（HD） 縦糸 × 制御 通糸（つうじ） 制御 カード 読み取り器 横糸 通糸による縦糸の引き上げあり ⇒開口ができる ⇒横糸を通す 解析機関とは（2） ジャカード織機 自動織機 ＋ カード読み取り機 入れ替え 計算機械 ＋ カード読み取り機 プログラム制御計算機 • 計算手順のカード化⇒計算の自動化 「ジャカード織機が花や葉を織るように 解析機関は代数的なパターンを織り出す。」（エイ ダ） • プログラミング（プログラムを作る）と いう概念の登場 ＊バベッジの協力 者エイダ（詩人バイ ロンの娘）は「世界 初のプログラマー」 という言い方がされ ている。 解析機関とは（3） • バベージは、解析機関未完のまま解析機関の構想 にかかる。 解析機関の仕様=現代のコンピュータとほぼ同じ • – プログラム制御計算機 • • • 事前に作成したプログラムにより自動計算 あらかじめ定められた順番通りの処理だけではなく「条件分岐」 も可能 条件分岐：条件により異なった処理を行う（実際には、書かれた プログラムの読み飛ばし） （例１）雨が降ったら、昼食は屋内で （例２）条件＝PCのメニューの選択により、メニューに応じた命令を実行 – – • 2進数計算（cf.講義第2章） 演算装置と記憶装置とを分離（cf.講義第4章） 階差機関の挫折もあり構想するにとどまる 空白の百年 • ショイツ親子（スェーデン） – 実業家 – 階差機関の試作機（1843） – 階差機関の実用機（1853） • パリ・ロンドン万国博で展示 – 破産(1873) • 数表危機は手動計算機械で解決されていた • 他の計算ニーズが低かった コンピュータ（バベッジの構想） が実現した20C ２０Cの科学技術水準（バベッジの19Cとの違い） – – – 電球 電話 カード読み取り器 ２０Cの社会状況 – – 科学技術計算の高度化 戦争の世紀=国家予算による兵器開発 – – 原爆開発・ロケット開発 社会的統計処理（人口・保険・賭博） カード読み取り器の進化（１） • ホリレス – – – – パンチカードの特許（1889） Tabulating Machine Companyを設立 経営難により会社を1911に売却 売却先：Computing-Tabulating-Recording Company （後のInternational Business Machines Corporation、 つまりIBM） カード読み取り器の進化（２） ホリレス機械のカード孔読み取り機構 ブラシ 孔 カード 金属ブラシと金属ロー ラ間の通電・非通電に よりカード上の孔のパ ターンを情報として取り 出す。 金属ローラ カード読み取り器の進化（3） • 電気信号は機械装置の制御を非常に容易にした • パンチカード式統計機械 – 穿孔（せんこう）カードを電気伝導で読み取り – その結果本格的な情報処理が可能に • 作表機能（カードデータを集計し、統計・小計計算結果を表とし て表示） • 分類機能（カード自身の区分け） • 情報処理機能（カード内容が言わばスイッチとなって処理を開 始） ツーゼのZ1（1938） • コンラッド・ツーゼ（独・1910-1995） – ドイツにおけるコンピュータの父 – 機械式計算機を自宅で自費作成 – バベッジのことを何も知らなかった 使用済み映画フィルムを使用したプログラム読み取り器 （１０進数ではなく）２進数で計算 • 誤作動が多く実用性はなかった 元々はV1（Versuchsmodel=実験モデル）という名前だったが、 独軍のV1ロケットとかぶるため変更 • ツーゼの業績について知られるようになったのは 1960以降 ツーゼのZ2 • シュライヤー（電子工学専攻の院生）の参加 • Z1を改良 – リレー式演算装置（リレーは電話会社の中古品） • 回路のスイッチを別の回路（電磁石）で操作（ON/OFF)（坂村 p139） • 交換機（たくさんの電話機を一対一につなぐ装置）で当時すでに使 われていた – 機械式２進記憶装置 • 同時に、真空管による電子式演算装置を試作 – 真空管はラジオ・TVに用いられる電流増幅器 – 入力電圧を高・低の２種類と思えばリレーと同じ働きであ ることに気がついていた – リレーの1000倍の速度での演算が可能に • 連合軍の空爆で焼失（1940） ツーゼのZ3（1941） • 演算装置・記憶装置ともリレー式 – Z2が機械式メモリだったのを変更 • 世界初のプログラム制御計算機 ＝バベッジの構想を１００年後に実現 • 連合軍の空爆により焼失 ツーゼのZ4（1944） • 会社を興し作成（世界初のコンピュータ会社） – リレー式演算装置 – 機械式記憶装置（Z3で一度リレー式にしたものを 変更） • 連合軍の空爆により疎開 • 戦渦により作成不能の期間（1945）は、プラン カルキュール（今のプログラム言語に相当）を 考案 • チューリッヒ大学（スイス）へ貸し出し • 売却さらに買い戻し（実物が現存） 前回の復習 • 計算機械のままでは、コンピュータとは呼ば ない。なぜか？ – 一つの大きな要素 – プログラム制御計算機 • バベッジ（英）が１９ｃにすでに構想 • ツーゼ（独）が1941に作成（Z3） • だれがコンピュータを創ったのか？ – 本当にENIAC（米）か？ 計算の高速化（1） • 必要は発明の母 – バベッジの時代に比べ計算に対するニーズが具体的に なっていた • 科学技術計算の高度化 • 兵器開発（原爆開発・ロケット開発） • 社会的統計処理（人口・保険・賭博） • ただし、コンピュータの有用性が認められるために は、手回し計算機を使った人海戦術（計算係はま さしくcomputerと呼ばれた）より少なくとも速く計算 できる必要 計算の高速化（2） • 機械（歯車）式 – ツーゼZ1（1938） – Harvard Mark-I（1944） • 電気機械式（機械式累算器の回転を電気で制御） • 加減算0.3秒、乗算3.6秒 • リレー方式 – ツーゼZ3（1941） – Harvard Mark-II（1947） • 真空管方式 – ABC（1937） – ENIAC(1946) • 加減算0.2m秒、乗算2.8m秒 リレー：電話システムで用 いられる電磁石を使ったス イッチ 真空管：ラジオ・テレビで用 いられる増幅器 ハーバードMark-I（1944） – エイケン（米、1900-1973） • ハーバード大物理学科＆米国海軍軍人 – パンチカードシステムで経験蓄積あるIBMの技術協力 – 電気機械式（機械式累算器の回転を電気で制御） • 最初からリレー式との話もあり？ – 世界初の実用化プログラム制御計算機 • 紙テープからプログラムを供給する – バグ（Bug）の語源 – Mark-II（1947） • IBMの資金援助 • リレー式 • 完成時にはリレー式は時代遅れとなっており、IBMがコンピュー タ業界進出に遅れたきっかけとなったと言われている ENIAC（1946）（1） • Electronic Numerical Integrator And Computer – 世界初のコンピュータとして紹介されていることが多い • モークリー＆エッカート（米） – ペンシルベニア大ムーア校 • 米国陸軍弾道研究所（ゴールドスタイン）の委託に よる開発プロジェクト – 射撃表（砲弾の着弾距離と砲身仰角・火薬量）作成ため の弾道計算（気温・湿度・風速等を考慮した約３０００通 り） – ２００名の計算手（computer）が手回し計算機で計算 – １弾道当たり１２時間 – 一表あたり１２時間×３０００本÷２００人＝７．５日 • 1944にフォンノイマンが参加 ENIAC（1946） （2） • 超巨大装置 – – – – 幅24m、高さ2.4m、奥行き0.9m 重さ30t 消費電力140KW 真空管1800本、ハンダ付け500万箇所 • 世界初の実用的な電子式（真空管式）計算機 – １０進数計算 – 計算速度の向上 • 加減算0.2m秒、乗算2.8m秒 • 機械式（ハーバードMark-I）の1000倍 • 弾道計算が着弾より速く終了できると評された – 真空管式のため（真空管の寿命が短い）連続運転ができ なかったという伝説もあるが、実際には安定に稼動 ENIAC（1946） （3） • 完全なプログラム制御方式ではない – 計算内容に応じて累算器ユニットを結線で結びなおす必 要も – 繰り返し制御はできたが、条件分岐（例の、雨が降ったら …）はできなかった – 従って、電子計算機ではあったがコンピュータではない • 稼動時（1946）には第2次世界大戦は終結しており、 主要な計算は、弾道計算から水爆の計算などにシ フトした • モークリとエッカートは、ノイマンと決別後、コン ピュータ会社を起業 • 他社に買収されるが商用コンピュータとして著名な UNIVACを世にだす ABCマシン（1） （Atanasoff-Bery Computer）（1942） • アタナソフ（米・1903-1995）とベリー（米・19181963） – アイオワ州立大学 • 米国におけるコンピュータの父 – ENIACのコンピュータとしての特許権の所在について 争う裁判において、最初のコンピュータがアタナソフの ABCマシンであることを理由に特許権の帰属をENIAC に認めない判決 – 裁判により栄誉を受ける以前にベリーは自殺 • 世界初の電子式計算機 – 演算装置に真空管を採用し２進数計算 ABCマシン（2） （Atanasoff-Bery Computer）（1942） • 現在使われているダイナミックメモリの原型 – 一秒に１回転するドラム表面に1500個のコンデンサ（蓄 電器）を埋め込む – データを読み出すとデータが消えるので、読み出すたび にその結果を書き込む • 専用計算機（プログラム制御計算機ではない） – 連立方程式の解のみが求められる – 計算途中人手が必要で完全な計算自動化はできなかっ た • 記憶装置の容量が必要最小限で、途中経過を一度カードに書き 出し、そのカードを入力装置で読み込ませる必要があった • 計算時間３０時間＋人の作業２５時間と見積もられた – 従って、コンピュータではなかった プログラム内蔵方式（1） • 記憶機能の強化の必要性 – 累算器は、装置一つで記憶機能と演算機能を持っている • • – ABCマシン（1942）の記憶装置 • • – 記憶機能：元のデータを憶え続ける 演算機能：元のデータに新たなデータを加える 同じ入力データを何度も参照するため入力データを記憶装置に記 憶 しかし、計算結果（途中経過）を参照できないため、計算結果を一 度カードとして排出。入力カードとして入力装置に移動させていた （計算時間と同じだけ人間が作業）。 貧弱な記憶機能では、計算の完全自動化は無理 プログラム内蔵方式（2） • 記憶装置の効用 – – 計算途中のデータの記憶 プログラム内蔵方式（別名、ノイマン方式）が可能に • • 計算途中のデータに止まらずプログラム（計算命令）も記憶 プログラム内蔵方式 – 従来の自動計算機 プログラム（計算命令）の書かれたカードを読み取りながら逐次的に 計算を実行 カードの読み取り速度は大変遅い – プログラム（計算命令）が内部に記憶されることにより演 算装置へつぎつぎと命令を送り込むことが可能に プログラム内蔵方式（3） 記憶装置 命令語 ① 命 令 の ア ド レ ス 選 択 ② 命 令 読 み 出 し データ語 ④ デ ー タ 読 出 し ⑤ デ ー タ 書 込 み 命令レジスタ ③命令 の解釈・ 実行 制御装置 演算装置 プログラム内蔵方式（4） • プログラム内蔵方式の特徴 1. カード読み取りの遅さからの解放・計算の完全自 動化 – 計算の速度・信頼性の向上 2. 考えうる最大限の汎用性の獲得 – プログラム自由度の向上 – 条件分岐（命令のジャンプ）や繰り返しが容易に可能 – カードをジャンプし（前後に読み飛ばし）たり戻って読み返した りするのは大変時間がかかる • 計算の途中でプログラムが書き換えられることも – – – – プログラム（計算の命令）もデータの一つでしかない 機械自身が与えられた指示を書き換える 機械として質的な大転換 講義の第4章で説明予定 プログラム内蔵方式（5） • EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer、電子式デジタル変数自動計算機） – ENIACグループによる後継機構想 – 1945にはプログラム内蔵方式を検討 – フォンノイマンがプログラム内蔵方式の論文を単著で発表 • 以降、プログラム内蔵方式＝ノイマン方式と呼ばれる – ENIAC主要メンバーの離散の後、1951に完成 従って、世界初のプログラム内臓方式計算機とはならなかった プログラム内蔵方式（6） • EDSAC（Electronic Discrete Delay Storage Automatic Calculator、電子式デジタル遅延蓄積自動計算機） （1949） – ウィルクス（英） • ENIACグループ（米）による夏期講習会（1946）に参加 – 世界初の実用プログラム内蔵方式計算機 以降のプログラミングの基礎 • SSEM（Small-Scale Experimental Machines）（1948） – 愛称Baby – ウィリアムズ（英、1911-1972）とキルバーン（英、1921-2001） • マンチェスター大学 – オリジナルのウィリアムズ・キルバーン管が記憶装置として 働くかの実証機 – 世界初のプログラム内蔵方式計算機（=コンピュータ） （EDSACとする坂村p152は誤り） 現代のコンピュータ（1） • プログラム制御計算機 – バベッジによって発案 – ツーゼZ3が実現 • プログラム内蔵方式の装置構成（アーキテク チャ） 1. プログラム制御であるだけでなく、プログラムをコン ピュータ内部（記憶装置）に保持 2. プログラム（命令手順）を計算データと区別せず記憶 3. 与えられた命令すら機械自身が書き換えてしえるとい う汎用性の高い機械へ（「コンピュータは知能を持って いるか」ということが議論されたが、否定されている） • 電子計算機 – 演算装置の電子化 – 真空管⇒トランジスタ⇒IC⇒LSI⇒超LSI 現代のコンピュータ（2） • プログラム内蔵方式（ノイマン型） CPU 制御装置 入力装置 演算装置 出力装置 主記憶装置 命令・データの流れ 外部記憶装置 制御命令の流れ （１）入力装置：キーボード、マウス、マイク、イメージ・スキャナ、etc （２）記憶装置：(i)主（高速）(ii)外部（低速） （３）演算装置 （４）制御装置 （５）出力装置：ディスプレイ、プリンタ、スピーカー、etc CPU（Central Processing Unit） とまとめられることも 現代のコンピュータ（3） • 手回し計算機や電卓との比較 – 人間の役割 • 演算方法を逐一指示 • データの入力 入力装置 演算装置 人間 （Computer） 出力装置 現代のコンピュータ（4） CPU（演算装置） 内部記憶装置 *RAM=Random Access Memory 同期式＝時計が送り出 す等間隔のパルスにあ わせて各装置間の情報 転送が行われる。 1GHz=1秒間に109回の パルス 現代のコンピュータ（5） • PCの内部（筐（きょう）体） http://www.sugilab.net/より転載 現代のコンピュータ（6） • PCの内部 http://www.sugilab.net/より転載 現代のコンピュータ（7） • PCの内部（マザーボード（1）） http://www.sugilab.net/より転載 現代のコンピュータ（8） • PCの内部（マザーボード（HD）（2）） 現代のコンピュータ（9） コンピュータの進化＝演算装置の高速化・集積化の歴史 世代 年代 演算デバイス 0.1 ～ 1.0ms Mark-I ENIAC EDASAC UNIVAC-I 10 ～ 1.0μ(10-6)s USSC IBM1401 第1世代 トランジスタ 第2世代 1950's後期 ～ 1960's前期 1960's中期 ～ 1970's前期 中規模集積回路 第4世代 1970's中期 ～ 例 機械 電気 真空管 1939年 ～ 1950's前期 第3世代 時間/1命令 （小規模）集積回路（IC） 大規模集積回路（LSI） 1.0 ～ 0.1μ(10-6)s 超大規模集積回路 （VLSI） マイクロ・プロセッサ 0.1μ(10-6) s ～ 1n (10-9) s PC 現代のコンピュータ（10） コンピュータの世代進化 演算装置の高速化・集積化の歴史 マイクロ・プロセッサ CPUの回路全体を一つの半導体チップに載せたもの 0.1ミクロン（10-6m)超微細構造作成技術による超LSI 数ミリ角のチップ一個に1000万個のトランジスタ（スイッチ） （髪の毛は１００ミクロン） 基本的な（根本的な）装置構成は何も変わっていない（ノイ マンのボトルネック） 現代のコンピュータ（11） CPU内部構造 http://www.sugilab.net/より転載 現代のコンピュータ（12） • 現代コンピュータの限界＝ノイマンのボトル ネック（ノイマンにまつわるもうひとつの話題） – プログラム内臓方式では演算装置と記憶装置とが の分離 – 記憶装置・演算装置間のデータ転送が必須となる – しかし、データ転送速度＜演算速度 – つまり、演算装置はもっと速く計算できるのに、 データが来ないので計算を進めることができないと いうことが起こっている コンピュータ史ガセびあ（１） 世界最初のコンピュータはENIAC（１９４６）である。 （坂村p.103-） – ENIACのコンピュータとしての特許権の所在について 争う裁判において、最初のコンピュータがアタナソフの ABCマシンであることを理由に特許権の帰属をENIAC に認めない判決。 それ以降、米国の教科書では世界最初のコンピュータ はABCマシンとなっている。 – しかし、ABCマシンは電子式計算機械であるが、コン ピュータと言えるか？ • コンピュータの定義をプログラム制御の計算機とすると最初は Z1（ツーゼ, 1938）となる。他方、プログラム内蔵型にすると最 初はBaby（ウイリアム&キルバーン, 1948）となる。 – ABCマシンが世界初のコンピュータではないにしても、 いずれの意味でもENIACは最初ではない。 誰がコンピュータを創ったか？ • プログラム制御計算機 1. バベッジ（英）によって考案 2. ツーゼ（独）のZ3が世界初（１９４１） 3. エイケン（米）のハーバードMark-Iが実用機一号 （1944） • プログラム内蔵方式計算機 1. ENIACグループ（米）のEDVAC草案によって提案 （1945、完成は1951） 2. ウィリアムズとキルバーン（英）によるSSEM（通称 Baby）が世界初（1948） 3. ウィルクス（英）によるEDSACが実用機一号（1949） • 電子式計算機 1. アタナソフとベリー（米）によるABCマシーンが世界初 （1942） コンピュータ史ガセびあ（2） 現在のコンピュータはノイマン型コンピュータとよ ばれていることから分かるように、 これを考案したのはフォンノイマン（米）である。 – 「EDVACレポート草稿」 （1945）でノイマンが単著で発 表 – しかし、ENIACの後継機EDVAC構想自体はENIAC グループの共同作業 – また、ノイマンがENIACに加わったのは1944年と最終 局面 – これをきっかけにENIACグループは離散してしまう コンピュータ史ガセびあ（3） バベッジの階差機関は、機械式のため、歯車に 十分な精度を与える技術水準になく未完となった。 （坂村p.96） – バベッジ生誕200年記念行事として階差機関 の複製を作成（1985） – 当時の技術水準で作成し、バベッジの断念が 技術的な問題でないことを証明 – 世界初の政府研究助成の難しさや技術者クレ メントとの確執などが言われている 前回の復習 現代のコンピュータの条件 – プログラム制御 – プログラム内蔵方式 プログラム制御を更に進めて、プログラム（計算指示書）を記憶装 置に保持 少し前なら、「PCを買うときは、予算が許せば、メモリ（記憶装置）を できるだけ大きくした方がよいよ。」と言ったものこのため（１０ 年前のPCでは新たにプログラムを開くとき既に開いているプロ グラムを閉じなければいけなかった） – 電子計算機化 • • 演算を高速化するため バベッジの１９ｃではなく、２０ｃにコンピュータが登場したのは電 気・電子の技術による • リレー⇒真空管⇒トランジスタ⇒IC⇒LSI 1940年代のコンピュータの登場以降、コンピュータの変更点はこの 点だけともいえる 第１章から第2章へ では、 • なぜ、リレーや電子回路によって計算ができるのか？ • なぜ、計算を意図して作られたコンピュータが計算以外 の情報処理ができるようになったのか？ • もしコンピュータの筐体を開くと歯車式の加算器が 動いていたなら（パスカルのパスカリーヌのように）、セ マンティックギャップはなかったはず • また、加算器だけであれば計算しかできないはず アナログ計算機（1） • 計算尺（乗算） – オートレッド（1631） – 数→長さ⇒長さの計算（和）→数 • 長さX=log(x), 長さY=log(y) • X+Y=log(x)+log(y)=log(xy) • 例：4.0×9.0=36.0 4.0 1.0 36.0 10.0 1.0 100.0 10.0 9.0 100.0 アナログ計算機（2） • 積分器 – ケルビン – y=f(x)のグラフのカーブを機械でなぞり積分∫f(x)dxを 評価 • 微分解析機 – ブッシュ（1931, 1942） – 他変数の連立微分方程式 ⇔ケルビンの積分器を歯車・伝動軸で結合 – 精度10-4 アナログ計算機（3） • 積分器の原理 – 積分とは？ y=f(x) y x 積分S=∫f(x)dx =グラフの面積 =上の緑の長方形の面積の和 アナログ計算機（4） • 積分器の原理 – 概念図 軸からの距離=f(x) ローラーの回転数が積分値 ∵ 軸から離れるほど（比例して）回転距離が長い θ f1 f1θ f2θ f2 トラック競技と 同じ アナログ計算機（5） • 積分器の原理 y=f(x) y 456789 3 2 1 x 積分値= 1 2 5 + + 3 9 6 … 4 7 8 アナログ計算機（6） • 微分解析機 – ブッシュ（1931, 1942） – 多変数の連立微分方程式 ⇔ケルビンの積分器を歯車・伝動軸で結合 – 精度10-4 • アナログ計算機：解くべき方程式のと同じ方程式 に従う物理システムからなる計算機 – analog computerという表現は、 それが意味する内容か らanalogous（類似的, =similar（相似的））という単語から つけられた。 – digitalに対する対義語としてanalogという言葉が使われ ているが、 analog computerという言葉がanalogという言 葉より先であり、元からあった言葉ではない。 アナログ計算機（7） • 量子コンピュータ 日本の計算機開発史 • リレー • パラメトロン（後藤英一） ⇒トランジスタ⇒IC⇒LSI • 論理回路による設計 第一章のまとめ 問い 手回し計算機や電卓に代表される計算機械と内部装 置を比較することによってコンピュータをコンピュータたらし めている特性について述べよ。 との内容の問いに答えられるか確認しておくこと。
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