2017年4月26日水曜日

猫も杓子もコンピュータ【回路、デジタル自己満説明】

専門外の方に回路、コンピュータの動作原理を解説し興味を持ってもらうためのブログ。なんで家電製品何でもかんでもコンピュータが内蔵されてるの?という話です。

話の内容

○電化製品がコンピュータを内臓する理由

相当な昔から言われてると思いますが、ほとんどの電化製品にはコンピュータが内蔵されています。なぜでしょう?というお話です。
※この記事で挙げている“コンピュータ”とは主に1チップマイコンのCPUを指しています。


まずコンピュータって何?

“コンピュータ”ってよく聞く言葉ですが、そもそも何なのでしょうか。
---ここから引用
コンピュータとは、与えられた手順に従って複雑な計算を自動的に行う機械。 特に、電子回路などを用いてデジタルデータの入出力、演算、変換などを連続的に行うことができ、詳細な処理手順を人間などが記述して与えることで、様々な用途に用いることができる電気機械のこと。
---ここまで引用
 IT用語辞典より
ウィキペディアも似たような表現で言い表しています。

ポク太郎は↓こう表現します。
論理回路の1種。ユーザによって書かれたプログラムに従い動作を変更することができるもの。”


次に論理回路って何?

電気回路と呼ばれるものには、いくつか分類があります。大電流を引き出してモータなどの動力源にするものや、“こんな場合はこうするあんな場合はこうする”という制御のために使用するものなど。

論理回路とは、
上の文の後者の方で、0と1という情報を伝えるため(演算もその一つ)だけの回路。情報を伝えるだけなので、ほんの少しの電流を使って正確に高速に動いて欲しい部分。
論理回路は“こんな場合はこうするあんな場合はこうする”という条件と処理さえ決まってしまえば回路が決まります。ですので、最近は“ハードウェア記述言語”という言語でプログラミングし、コンピュータで論理合成して作ってしまいます。

この論理回路のうち、計算に使用する部分、情報を記憶、その呼出をする部分、特殊な演算を行う専用回路などを一つのIC(チップ)内に作り上げます。LSIと呼ばれるICチップです。大規模集積回路(ラージスケールインテグレート)、略してLSI。

内部には100万個、1000万個と恐ろしい数のトランジスタ数が入っています。vLSI、uLSIなどと、これまでトランジスタ数がどんどこ増え続けてきました。


大規模集積回路の辛いとこ

一度完成したら、後は同じ物を製造し続けるだけ”なので大量生産方式のメリットを最大限に利用できます。

ですが
無駄な回路を入れ込んでも意味はないので、ICの中には必要な回路しか入っていません。LSIの中の1000万個のトランジスタはなんらかの役割を持っています。必ずどこかに配線がつながっています。(トランジスタ1コに対して4本の配線)

コンピュータで論理合成するとはいえ膨大な数です。さらっと作って思い通りに動くでしょうか?答えはNo。そんな簡単には完成しません。

もう一つ
実体をもつハードウェアですので“製造の難易度”という壁があります。数 mm x 数 mm のシリコンチップの上に1000万個のトランジスタを並べます。これを作る際には、試作1回数千万円(億を超える場合も)の試作費用が掛かります。

失敗すれば当然ゴミ。

つまり
大規模集積回路を作るには、大変な人件費と試作製造費という膨大開発費が掛かるということになります。


そこでコンピュータ

“プログラム”という命令に従い、順番に処理していく論理回路。
↑これを考えます。大規模集積回路の1種です。

そうすることで各業種のメーカは“面倒なお金のかかる大規模集積回路を作らずに、プログラムを作るだけで”必要な大規模集積回路が手に入ります。(プログラムは何回でも書き換えてトライ、書き換えてトライと試しながら作っていけることに留意。)

どっちが効率的?
コンピュータを
使わない
ポットメーカが集積回路を作る ←膨大な開発費
自動車メーカが集積回路を作る ←膨大な開発費
カメラメーカが集積回路を作る ←膨大な開発費
テレビメーカが集積回路を作る ←膨大な開発費
コンピュータを
使う
半導体メーカがコンピュータ(1チップマイコン、CPU)を作る ↑膨大な開発費だけど、何にでも使えるので大量生産が見込め、安く各メーカに供給できる
ポットメーカがプログラムを作る ←プログラム書くだけ
自動車メーカがプログラムを作る ←プログラム書くだけ
カメラメーカがプログラムを作る ←プログラム書くだけ
テレビメーカがプログラムを作る ←プログラム書くだけ

(上の段)
各メーカがそれぞれバラバラに個別の大規模集積回路を作る。
   VS
(下の段)
得意とする半導体メーカがコンピュータ(1チップマイコン、CPU)を作り、各メーカへ供給。

明らかに(下の段)の方が効率がよいです。実体のあるハードウェアの製造を1箇所(実際は数社ありますが)に集中し、大量生産方式のメリットを生かして安く製造・販売。半導体メーカも各メーカも消費者もメリットを授受できるようになります。

そんなわけで、猫も杓子もコンピュータが内蔵されるという現状になっております。



話の内容

こんな話でしたが内容は伝わりましたでしょうか。
○電化製品がコンピュータを内臓する理由


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