コンピューターのパーツ

なぜこれを知る必要があるか

毎日コンピューターを使っているが、中で何が起きているか知っているだろうか？Windows のノートパソコンでも、MacBook でも、Microsoft Surface タブレットでも、どのコンピューターも同じ少数のコアコンポーネントで作られている。その部品が何で、それぞれが実際に何をするかを知ると、コンピューターを不思議な黒い箱としてではなく、理解できる機械として見られるようになる。

そのメンタルモデルがコンピュータサイエンスの他の全てのための土台だ。構築していこう。

CPU — 仕事をする脳

CPU（Central Processing Unit、中央処理装置）は実際にプログラムを動かすコンポーネントだ。すべての計算、すべての判断、画面上のすべてのアニメーション — それらすべては CPU が命令を一つひとつ、毎秒数十億回のペースで実行している。

CPU をデスクに向かって高速に作業する人として想像してほしい。タスクを拾い上げ、必要な計算や比較をこなして結果を置き、すぐ次のタスクを拾い上げる。これをあまりに速くこなすため、すべてが同時に起きているように感じる。実際にはタスクを一つずつ（あるいはいくつか同時に — 後ほど説明する）高速にこなしているのだが。

デスクトップタワー PC では、CPU はトランプカードほどの大きさのフラットな四角いチップで、大型のファンや水冷ブロックの下に隠れている。ノートパソコンでは似たチップが使われるが、消費電力と発熱を抑えるよう設計されている。Surface タブレットでは CPU はさらにコンパクトで、薄く軽くするために CPU、グラフィックス、その他のチップが一つの小さなパッケージ — SoC（System on a Chip、システムオンチップ）— にまとめられていることもある。

見た目は違う。パッケージも違う。でも仕事は同じだ。

コア数とクロック速度

「3.2 GHz、10コアプロセッサー」というスペックを見たことがあるだろう。意味はこうだ：

クロック速度（clock speed）— **ギガヘルツ（GHz）**で測られ、CPU が毎秒こなせる基本的な操作の数を大まかに表す。3.2 GHz なら、毎秒約32億の基本操作をこなしている。
コア（core）— 現代の CPU にはコアと呼ばれる複数の独立した処理ユニットが入っている。8コアの CPU は、8人の人が8つの机でそれぞれ別のタスクを同時にこなしているようなものだ。音楽を聴きながらブラウザを開いてファイルをダウンロードしても止まらないのはそのためだ。

今のところ重要なのはシンプルだ：CPU はコードを実行するもの。他の部品はすべてそれを支えるために存在する。

RAM — CPU の高速で一時的なワークスペース

CPU は即座にアクセスできるデータしか扱えない。ストレージドライブ（次で説明する）は遅すぎる — データが近くにある場合と比べて、CPU は何百万倍も待つことになる。そのためコンピューターは、はるかに速くて CPU に近い別のメモリを使う。これを RAM（Random Access Memory、ランダムアクセスメモリ）と呼ぶ。

アプリを開くと、OS はそのコードとデータをストレージから RAM に読み込む。CPU はプログラムを動かしながら、猛烈な速度で RAM の読み書きを行う。

使いやすい例えで言えば、RAM は作業台の表面だ。今作業しているものはすべてそこに広げてある — 素早く手が届き、並べ替えやすく、目の前にある。ストレージは部屋の向こう側のキャビネットだ。資料を取りに行き、作業台に持ってきて、そこで作業する。

重要な点がある：RAM は揮発性（volatile）だ。電源が切れると — ノートパソコンをシャットダウンしたり、Surface のバッテリーが切れたりすると — RAM の内容はすべて一瞬で消える。これがアプリが再起動時に閉じる理由であり、「未保存の変更」が「まだストレージに書き込まれていない変更」を意味する理由だ。

現代の典型的なノートパソコンには 16〜32 GB の RAM が搭載されている。タブレットは 8〜16 GB が多く、薄型デバイスでは基板に直接はんだ付けされていて、古いデスクトップのように交換はできない。物理的な配置は違うが、役割は同じ — 現在動いているもののための高速で一時的なワークスペース。

ストレージ — ファイルが永続的に保存される場所

ストレージは先ほどの例えでのキャビネットだ。電源が切れても生き残る必要のあるすべてのものを保持する — OS、インストールされたアプリ、写真、動画、ドキュメント、音楽、ゲームのセーブデータ — すべてだ。

RAM と違い、ストレージは不揮発性（non-volatile）だ — 電源が切れても内容は無事だ。ドキュメントを保存してノートパソコンを閉じると、ファイルはストレージドライブにある。一週間後に開いても、まだそこにある。

よく見かける二種類のストレージ：

HDD（Hard Disk Drive、ハードディスクドライブ）— 回転する磁気プラッターにデータを保存し、前後に動く小さなアームで読む。HDD は大容量でも安価だが、比較的遅く、落としたり振動させたりすると損傷することがある（プラッターは毎分数千回転している）。主に古いデスクトップや廉価なデスクトップコンピューターに使われている。
SSD（Solid-State Drive、ソリッドステートドライブ）— 可動部品のないフラッシュメモリチップにデータを保存する。SSD は HDD より劇的に速く、静かで、はるかに耐久性が高い。現代のノートパソコン、Surface タブレット、ほとんどのデスクトップは SSD を使っている。Surface ではほぼ確実に基板に直接はんだ付けされた SSD が入っている。

速度の差は大きい — HDD から OS を読み込むのに 30〜60 秒かかることもあるが、SSD からなら同じ作業が 15 秒以内で終わることが多い。現代のコンピューターでアプリがほぼ瞬時に起動するのは、SSD のおかげだ。

入出力デバイス

CPU、RAM、ストレージはすべて機械の中に隠れていて目には見えない。コンピューターを実際に使うには、それと通信する方法が必要だ。これを I/O デバイス（I/O device）と呼ぶ — 入力（input）デバイスはコンピューターに情報を送り込み、出力（output）デバイスは情報を出す。

よくある入力デバイス：

キーボード（keyboard）
マウス（mouse）またはトラックパッド（trackpad）
タッチスクリーン（touchscreen）— タブレットやスマートフォンの主な入力方法。画面がそのままキーボードとマウスになる
マイク（microphone）
カメラやウェブカメラ（webcam）
指紋センサーや Face ID センサー

よくある出力デバイス：

ディスプレイ（display）（画面）
スピーカー（speaker）
プリンター（printer）

多くのデバイスは入力と出力の両方だ。タッチスクリーンは映像を表示し（出力）、タッチを検出する（入力）。USB や Thunderbolt ポートは双方向にデータを転送できる。内蔵マイク付きのヘッドフォンは両方を同時にこなす。

これらはデスクトップタワーに固有のものではない。ノートパソコンにはキーボード、トラックパッド、画面、スピーカー、カメラがすべて一枚の板に内蔵されている。タブレットはさらに凝縮されている — 画面がそのままタッチスクリーンになり、Type Cover がキーボードになり、背面カメラがウェブカメラになる。フォームファクターは縮小し続けるが、入力と出力というカテゴリーは変わらない。

全部がつながる方法

これらのコンポーネントはバラバラに浮かんでいるわけではない — お互いに通信する必要がある。それを繋ぐのがマザーボード（motherboard、ロジックボードやシステムボードとも呼ぶ）だ — すべてが接続またははんだ付けされる大きな回路基板だ。

マザーボードはバス（bus）と呼ばれる電気経路を提供する。そこを通ってデータが CPU、RAM、ストレージ、I/O デバイスの間を行き来する。キーを押すと、そのシグナルはキーボードからバスを通って CPU に届く。ファイルを保存すると、データは RAM からバスを通ってストレージドライブに流れる。

デスクトップタワーなら、ケースを開ければ大きく目立つマザーボードが見える。ノートパソコンでは、シャーシに収まったコンパクトな基板だ。タブレットでは、他のすべてと一緒にぎっしり詰まった小さなロジックボードだ — でも確かに存在して、同じ仕事をしている。

外側の見た目がどうであれ、同じ四つのコンポーネントが必ず存在し、中央の基板で繋がっている：

コンポーネント	データを保持する？	速い？	電源オフでも生き残る？
CPU	いいえ（小さなレジスタのみ）	非常に高速	該当なし — プロセッサーだから
RAM	はい	非常に高速	いいえ（揮発性）
ストレージ（SSD/HDD）	はい	遅め	はい（不揮発性）
I/O デバイス	様々	様々	様々

まとめ

CPU（Central Processing Unit）はプログラムを実行する。実際に考える部分 — 毎秒数十億回の計算と判断を行う。
RAM は CPU が使っているデータとコードを保持する高速で一時的なメモリだ。電源が切れると完全に消去される。
ストレージ（SSD または HDD）はデータを永続的に保持する。SSD が速くて耐久性が高いため、現代のノートパソコンとタブレットで主流だ。
I/O デバイスはコンピューターと外界を繋ぐ。入力デバイス（キーボード、タッチスクリーン、マイク）はデータを送り込み、出力デバイス（ディスプレイ、スピーカー）はデータを出す。タッチスクリーンのように、両方を兼ねるデバイスも多い。
これらのコンポーネントはすべてマザーボードで繋がっていて、データの受け渡しに使う電気バスを提供する。
タワー PC、ノートパソコン、Surface タブレットのどれであれ、すべてのコンピューターに四種類のコンポーネントが揃っている — ただパッケージが違うだけだ。

次のステップ

部品の名前と役割を知ったなら、自然な疑問が浮かぶ — それらはどうやって一緒に動いてプログラムを動かすのか？それをカバーするのがフォン・ノイマンアーキテクチャだ — CPU、RAM、ストレージが連携してコードを実行する根本的なモデルと、過去75年間に作られたほぼすべてのコンピューターがなぜ同じ基本設計に従うのかを説明する。