コンピュータシステム

CPU（Central Processing Unit: 中央処理装置） はコンピュータの頭脳にあたる部品です。プログラムの命令を読み取り、演算を実行し、結果を出力します。

CPUは主に次の3つの要素で構成されています。

• 制御装置 — メモリから命令を取り出し、各装置に指示を出す
• 演算装置（ALU） — 四則演算や論理演算を実行する
• レジスタ — CPU内部の高速な一時記憶装置。演算途中のデータを保持する

クロック周波数

CPUが処理を行うタイミングを刻む信号を クロック といいます。クロック周波数 はこのクロックの速さを表し、単位は Hz（ヘルツ） です。

例: 3.0 GHz のCPUは1秒間に30億回のクロックを刻む

クロック周波数が高いほど、1秒間に多くの命令を処理できます。

パイプライン処理

命令の実行を複数のステージ（命令取り出し → 解読 → 実行 → 書き戻し）に分けて、ステージごとに異なる命令を並行処理する技術です。なぜ高速化するかを洗濯に例えると、1台目が乾燥中に2台目の洗濯を開始するのと同じ原理です。命令の各段階を重ね合わせることで、1命令ずつ完了を待つよりも全体のスループット（単位時間あたりの処理量）が大幅に向上します。

マルチコアプロセッサ

1つのCPUチップに複数の処理コア（演算ユニット）を搭載したプロセッサです。

CISC と RISC

現在のCPUはRISCの設計思想をベースにしたものが主流です。

GPU

GPU（Graphics Processing Unit） は画像処理に特化したプロセッサです。大量の単純な計算を並列に実行できるため、近年ではAIの機械学習やディープラーニングにも活用されています。GPU が AI に使われる理由は、ニューラルネットワークの学習が大量の行列演算で構成されているためです。CPU は複雑な処理を少数のコアで高速に実行するのに対し、GPU は数千のコアで単純な計算を一斉に実行します。この並列処理能力が行列演算に最適です。

コンピュータの記憶装置は、速度・容量・コストに応じて 階層構造 になっています。上位ほど高速・小容量・高価格、下位ほど低速・大容量・低価格という関係です。

メモリ階層の詳細

キャッシュメモリ は、よく使うデータを一時的に保持して高速アクセスを実現する仕組みです。CPUが主記憶にアクセスする際、まずキャッシュにデータがあるか確認します。キャッシュにある場合を キャッシュヒット、ない場合を キャッシュミス といいます。

RAM と ROM

RAMにはさらに2種類があります。

DRAMはデータを保持するために定期的な リフレッシュ（電荷の再充電） が必要です。これは DRAM がコンデンサ（蓄電器）に電荷を蓄えてデータを保持する仕組みのためです。電荷は時間とともに自然に放電してしまうため、データが消える前に定期的に再充電しなければなりません。一方 SRAM はフリップフロップ回路で保持するためリフレッシュ不要ですが、回路が複雑で高価です。

補助記憶装置

RAID

RAID（Redundant Arrays of Inexpensive Disks） は複数のディスクを組み合わせて信頼性やパフォーマンスを向上させる技術です。

RAID 5 が3台以上必要な理由は、データとパリティ（誤り訂正情報）を各ディスクに分散して配置するためです。最低でもデータ用2台分 + パリティ用1台分の容量が必要であり、パリティを分散配置することで特定のディスクに負荷が集中しない設計になっています。

コンピュータとユーザーや外部機器との間でデータをやり取りするために、入力装置（コンピュータにデータを送る）と 出力装置（コンピュータからデータを受け取る）が使われます。

入力装置

出力装置

ディスプレイの種類と特徴は以下の通りです。

画面の精細さは 解像度（ピクセル数） で表します。フルHD（1920×1080）、4K（3840×2160）などがあります。

インタフェース（接続規格）

コンピュータと周辺機器を接続するための規格を インタフェース といいます。

USB（Universal Serial Bus） は最も広く使われるインタフェースです。特に USB Type-C は上下の向きがない可逆設計で、映像出力（DisplayPort Alt Mode）・充電（USB PD）・データ転送を1本のケーブルで兼用できるのが大きな利点です。

OS（Operating System: オペレーティングシステム） は、ハードウェアとアプリケーションソフトウェアの間に位置する基本ソフトウェアです。コンピュータの資源（CPU・メモリ・ディスク・周辺機器）を管理し、アプリケーションが動作する環境を提供します。

代表的なOSには以下があります。

• Windows — Microsoft社。PCで最も普及
• macOS — Apple社。Mac用OS
• Linux — オープンソース。サーバー用途で広く使用
• iOS / Android — スマートフォン用OS

OS の主な機能

マルチタスク は、OSが複数のプロセスを高速に切り替えながら同時に実行しているように見せる仕組みです。実際にはCPUの時間を細かく分割して各プロセスに割り当てています（タイムスライス）。

仮想記憶（ページング）

物理メモリ（RAM）が不足した際に、補助記憶装置（SSD/HDD）の一部をメモリの代わりに使う技術を 仮想記憶 といいます。データを固定サイズの ページ に分割して管理し、必要なページだけを物理メモリに読み込みます。使われていないページは補助記憶装置に退避させることで、物理メモリ以上の容量のプログラムを実行できます。

ただし、頻繁にページの入れ替え（ページイン/ページアウト）が発生すると、ディスクアクセスに時間を取られて処理速度が大幅に低下します。この状態を スラッシング といいます。スラッシングを防ぐにはメモリの増設が有効です。

マルチスレッドとマルチコア

マルチスレッドはソフトウェアによる並行処理であり、マルチコアはハードウェアによる真の並列処理です。現代のCPUはマルチコアが標準で、各コアがさらにマルチスレッドを実行します。

仮想化技術

1台の物理マシン上で複数の仮想マシンを動かす技術を 仮想化 といいます。

コンテナ型はOSカーネルを共有するため、起動が速く軽量です。近年のクラウドサービスで広く使われています。

ソフトウェアの分類

OSS（オープンソースソフトウェア）

OSS はソースコードが公開され、誰でも自由に利用・改変・再配布できるソフトウェアです。

代表的なOSS: Linux, Apache, MySQL, PostgreSQL, Firefox, LibreOffice