コンピューターの知識（１）から続く。
（２）コンピューターのハードウェア
ここでは、１９６５年のアメリカのS. S. Kuo著「Numerical Methods and Computers(数値解析とコンピューター)」の図でコンピューターを説明する。教科書は古いが、コンピューターの本質を分かり易く説明しているのでこの教科書を使う。図に出典：Kuoとあるのは引用した図、【転載禁止】とあるのは筆者の資料である。
１）２進数
人類の記数法として、２進数、８進数、１０進数、１２進数、１６進数、６０進数などがある。このうち２進数では、０と１、２つの数字を使用する。２進数の０、１、１０、１１、１００、１０１は１０進数の０、１、２、３、４、５にそれぞれ対応する。もちろん、２進数も四則演算が可能である。
英語では２進数をBinaryといい、その１桁の数字、０また１をビット(Bit：Binary Digitの造語)という。本来の英語の“bit”には“小片”や“少し”の意味がある。
２）磁気コア
２進数を用いるコンピューターは、０と１を明確に識別しなければならない。たとえば、電気のスイッチはオンかオフのいずれかで中間はあり得ない。このスイッチのような物体をBistate Element(二つの状態を持つもの＝適当な和訳はない)という。
下の図１は、１９６０年代のコンピューターが使用したBistate Elementを示している。図１左端の上から、磁気コア(Magnetic Core)、パンチドカード、電気パルス、スイッチまたはリレー、真空管、トランジスターを示すとともに、それぞれの０-State(ゼロの状態)と１-State(１の状態)を図解している。たとえば、磁気コアの場合は、反時計回り方向の磁界を０-State、時計回り方向の磁界を１-Stateとしている。また、２番目のパンチドカードは、穴があいていない状態を０-State、穴があいている状態を１-Stateとしている。
図１ Bistate Element(２つの状態を表現できるもの)
出典：Kuo
図１の磁気コアは、１９７０年代中頃まで主記憶装置として使われたドーナツ型の記憶媒体(直径約５ｍｍの磁性体)だった。
図２ 磁気コア(Magnetic Core)
出典：Kuo
図２は、磁気コアと電線を示している。左端の(ａ)では、電線に左から右方向に電気を流すと、磁気コアに反時計回りの磁界が生じる。この状態を０-Stateという。
次に中央の(ｂ)では、電流を停止する。しかし、磁界の方向は反時計回りのままで変化しない。すなわち、(ｂ)は磁気コアが“０”を記憶した状態を示している。
さらに右端の(ｃ)のように、電気を右から左方向に流すと、磁界も時計回り方向に反転(flip)し、磁気コアは１-Stateになる。このように、電気の方向を変えることにより、磁気コアに“０”か“１”を書き込むことができる。
図３は、磁気コアにデータを書き込み、また読み取る仕組みを示している。
図３ 磁気コアのデータ読み書き
出典：Kuo
上の図に示すとおり、磁気コアには２本の電線は通っている。一本はデータの書き込み用、他方はデータの読み取り用の電線である。
データの書き込みと読み取りのプロセスは次のようになる。
１．書き込み電線に右から左方向に電気を流す⇒時計回り方向の磁界が発生⇒データ“１”を記録
２．時計回り方向の磁界は、読み取り用の電線に右から左方向の電流を発生させる(誘導電流)。
３．読み取り用電線の誘導電流を増幅器で増幅し、“１”と認識(読み取り)
注)書き込み前の磁気コアの状態が“０”であっても“１”であっても問題はない。
昨年１１月のこのブログで、文字の“０”や“１”や“Ａ”は、それぞれ“００１１００００”や“００１１０００１”や“０１０００００１”とＡＳＣＩＩコードが定義していると説明した。もしここに、８個の磁気コアがあれば、１つの文字を書き込み、記憶することができる。【参照：グローバル工場－－－機能の階層(１)(２０１１－１２－２５)、(２)データベースと文字コード、１）コンピューターが取り扱うデータ】
なお、コンピューター用語では、８ビット(Bit)＝１バイト(Byte)と定義している。この定義により０、１、Ａなどを１バイト文字という。また、漢字１文字は１６ビットで定義するので、２バイト文字という。ちなみに、日本では半角文字(１バイト文字)や全角文字(２バイト文字)との云い方もある。
１９８０年代に漢字が使えるようになり、氏名や住所を漢字でプリントできるようになった。(それまでは、氏名や住所は半角の片仮名だった)
図４に示すコアアレー(磁気コアの配列)は、磁気コアの主記憶装置である。
図４ コアアレー(Core Array：磁気コアの配列)
出典：Kuo
当時、１２８ＫＢ(キロバイト)の主記憶装置と云えば、１２８,０００バイトＸ８ビット/バイト＝１,０２４,０００ビット、約１００万個の磁気コアを装備したコンピューターだった。下の図５は、コンピューターとコアアレーの関係を示している。
図５ コンピューターとコアアレーの関係
出典：Kuo
３）磁気ドラムやテープ
実際のコンピューターは、ＣＰＵと主記憶装置(メインメモリー)だけではなく、磁気ドラムや磁気テープ、パンチドカードリーダーやプリンターでデータを出し入れ(インプット/アウトプット)している。図６は磁気ドラムへのデータ書き込みと読み取りの様子を示している。
図６ 磁気ドラムへのデータ書き込み/読み込み
出典：Kuo
磁気ドラムや磁気テープへのデータの書き込みと読み取りは、磁気コアと同じである。磁気ドラムやテープの場合は、表面に塗布した磁性体の磁界の方向で“０”か“１”を判別する。
下の図７は、１９７６年秋に筆者が社員教育のために自作した磁気テープの教材である。図の下に磁気テープ、その上にテープの内容を示している。
図７ 磁気テープの中身
【図７の説明】
使用した磁気テープの仕様：テープ幅＝１/２インチ、テープ長＝２,４００フィート、記録密度＝１,６００ＢＰＩ(Bits per Inch)、ＩＲＧ(Inter-record Gap)＝約１.５ｃｍ
【図７の制作方法】
１．微細な鉄粉の揮発性溶液を、データを記録した磁気テープに塗布する。
２．塗布した液体は揮発し、鉄粉だけがテープ上に残る。この鉄粉はテープ上のデータの磁界で縞模様になっている。
３．その縞模様の鉄粉をセロテープで写し取り、そのセロテープを磁気テープの上の余白に張り付けた。
参考：ガラス板の上に鉄粉を撒き、ガラス板の下に磁石を当てると鉄粉が磁力線で縞模様になる。同様に、磁気テープに微細な鉄粉を塗布すると縞模様が現れる。
図８は図７の縞模様を拡大した図である。垂直方向のビット間の空白が水平方向に走っているのが分かる。しかし、一つ一つのビットは識別できない。
図８ 磁気テープの拡大図
【図８の説明】
テープの垂直方向：
垂直方向１列９ビット(８ビット＝１バイト＝１文字＋１パリティーチェックビット＝９トラック)
テープの水平方向：
１列９ビット(１文字)が水平方向に４,０００列(＝文字)のブロックで並んでいる。その記録密度は１,６００ＢＰＩ、計算すると長さは６.３５ｃｍである。(４,０００÷１,６００×２.５４ｃｍ＝６.３５ｃｍ)
図の薄茶色の部分は、セロテープの接着剤が３６年の歳月で劣化・変色したシミである。
【補足説明】
１．幅約１ｃｍ、長さ約６.３５ｃｍに９ビット/列Ｘ４,０００列＝３６,０００ビット、これは、３６,０００個の磁気コアに相当する。
２．当時、記録密度＝６,２５０ＢＰＩの磁気テープも使っていたが、６,２５０ＢＰＩは高密度すぎて縞模様を肉眼で識別できなかった。目に見えるサンプルを作るために、低密度の１,６００ＢＰＩテープを使用した。
３．記録密度＝６,２５０ＢＩＰの磁気テープで計算すると、同じ面積(幅約１ｃｍ、長さ約６.３５ｃｍ)の記憶容量は約１４万個の小豆粒程の磁気コアに相当する。
この高密度化の技術は、はさらに半導体の世界に進んでいった。
４）ＬＳＩ(高密度集積回路)
下の図９は、１９９７年に記念品として筆者が仕事先のアメリカの半導体会社でもらったＬＳＩウェハである。もちろん、製品でなく試作品である。このウェハは、直径約１０ｃｍ、７５０個のチップを載せている。このウェハは７５０チップの在来製品だが、当時の最新型ではチップの搭載数と機能ともにさらに進歩していた。
図９ ＬＳＩウェハ上のチップとパッケージ(図の左上)のイメージ
(注：例示のパッケージの中身は、このウェハのチップではない)
【図９の説明】
説明が長くなるので、ここでは外観だけを説明する。チップ(赤い丸印)には数千～数万の電子素子が組み込まれている。このチップを切り出し、配線したものがＬＳＩパッケージである(図の左上のイメージ)。パッケージの中身は、マイクロプロセッサーや半導体メモリーなどである。
このようなＬＳＩで、コンピューターはさらに小型化し記憶容量も大きくなった。
ここまでの説明で、データの構成要素がビット(“０”か“１”)であることを理解して頂ければ十分である。このことは、数値、文字、画像、動画、色、音など、コンピューターが処理する情報すべてに共通である。また、記憶容量が非常に大きくなると同時に、小型化したのでノート型ＰＣやiPhoneが実現した。
次回の(３)「コンピューターの論理」に続く。
