フ ォ ン・ノ イ マ ン 型 コ ン ピ ュ ー タ ─ 現 代 P C の 設 計 図

1945 年 ─ 戦 後 ア メ リ カ で 設 計 図 が 描 か れ た

1945 年 6 月、 第 二 次 世 界 大 戦 末 期。 米 国 ペ ン シ ル ベ ニ ア 大 学 で、 一 つ の 報 告 書 が 回 覧 さ れ た。 タ イ ト ル は『First Draft of a Report on the EDVAC』(EDVAC に 関 す る 報 告 の 第 一 草 稿)、 著 者 は ハ ン ガ リ ー 出 身 の 数 学 者 ジ ョ ン・フ ォ ン・ノ イ マ ン (John von Neumann, 1903–1957)。

こ の 101 ペ ー ジ の 報 告 書 が、 80 年 後 の 君 の ス マ ホ・P C・タ ブ レ ッ ト の 設 計 の 元 と な る と は、 当 時 誰 も 想 像 し な か っ た。

天 才 フ ォ ン・ノ イ マ ン ─ 6 歳 で 暗 算 を 操 る 少 年

1903 年、 ハ ン ガ リ ー・ブ ダ ペ ス ト の ユ ダ ヤ 人 銀 行 家 の 家 庭 に 生 ま れ た ノ イ マ ン は、 6 歳 で 8 桁 の 暗 算 を 行 い、 8 歳 で 微 積 分 を 理 解 し た と い う。 19 歳 で 数 学 と 化 学 工 学 の 二 重 博 士。

彼 の 業 績 は 信 じ ら れ な い ほ ど 広 い ─ セ ッ ト 論 (数 学)、 量 子 力 学 (物 理 学)、 ゲ ー ム 理 論 (経 済 学)、 マ ン ハ ッ タ ン 計 画 (原 子 爆 弾)、 気 象 学、 そ し て コ ン ピ ュ ー タ 科 学。 20 世 紀 を 代 表 す る 万 能 の 天 才 で あ る。

ENIAC ─ 巨 大 で 不 便 な 第 一 世 代

1946 年 完 成 の ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) は、 世 界 初 期 の 電 子 計 算 機 だ っ た。 真 空 管 17,468 本、 重 量 30 ト ン、 床 面 積 167 平 米。

し か し、 致 命 的 な 欠 点 が あ っ た ─ プ ロ グ ラ ム を 変 更 す る た び に、 数 千 本 の ケ ー ブ ル を 物 理 的 に 配 線 し 直 す 必 要 が あ っ た。 一 つ の 計 算 か ら 別 の 計 算 へ 切 り 替 え る の に 数 日 か か る。

フ ォ ン・ノ イ マ ン の 革 新 ─ プ ロ グ ラ ム 内 蔵 方 式

フ ォ ン・ノ イ マ ン は、 ENIAC の 開 発 チ ー ム と 議 論 す る 中 で 革 新 的 ア イ デ ア を 思 い 付 い た ─ 「プ ロ グ ラ ム も デ ー タ も、 同 じ メ モ リ に 一 緒 に 入 れ よ う」。

こ の 「プ ロ グ ラ ム 内 蔵 方 式」 (Stored-Program) に よ り、 異 な る プ ロ グ ラ ム を ソ フ ト だ け で 切 り 替 え ら れ る よ う に な っ た。 ハ ー ド ウ ェ ア (機 械) と ソ フ ト ウ ェ ア (プ ロ グ ラ ム) の 分 離 ─ こ れ が 現 代 コ ン ピ ュ ー タ の 出 発 点 で あ る。

フ ォ ン・ノ イ マ ン 型 ─ 五 大 構 成 要 素

ノ イ マ ン が 設 計 し た コ ン ピ ュ ー タ は、 五 つ の 構 成 要 素 か ら 成 る ─

1. CPU (中 央 処 理 装 置) ─ 計 算 を 行 う「頭 脳」
2. メ モ リ (記 憶 装 置) ─ プ ロ グ ラ ム と デ ー タ を 保 存
3. 入 力 装 置 ─ キ ー ボ ー ド、 マ ウ ス、 タ ッ チ パ ネ ル
4. 出 力 装 置 ─ デ ィ ス プ レ イ、 ス ピ ー カ ー、 プ リ ン タ
5. 制 御 装 置 ─ 各 部 を 統 制 (現 代 で は CPU 内 に 統 合)

君 の ス マ ホ も、 同 じ 構 造 だ ─ A プ ロ セ ッ サ (CPU)、 R A M ・ S S D (メ モ リ)、 タ ッ チ ス ク リ ー ン (入 力)、 デ ィ ス プ レ イ ・ ス ピ ー カ ー (出 力)。

80 年 経 っ て も 変 わ ら な い 設 計

驚 く べ き こ と に、 1945 年 か ら 80 年 経 っ た 現 在 も、 全 て の P C ・ ス マ ホ ・ サ ー バ ー が 「フ ォ ン・ノ イ マ ン 型」 で 動 い て い る。

ハ ー ド ウ ェ ア は 真 空 管 → ト ラ ン ジ ス タ → 集 積 回 路 (IC) → V L S I → マ イ ク ロ チ ッ プ と 小 さ く な り、 性 能 は 数 十 億 倍 に な っ た が、 基 本 設 計 は 同 じ で あ る。

ENIAC と 君 の ス マ ホ ─ 数 字 比 較

項 目	ENIAC (1946)	iPhone 15 (2023)
計 算 速 度	毎 秒 5,000 回	毎 秒 約 1 兆 回
重 量	30 ト ン	171 g
消 費 電 力	150 kW	約 4 W
メ モ リ	200 桁 程 度	8 GB (約 80 億 桁)

ス マ ホ は ENIAC の 数 億 倍 速 く、 ENIAC の 1 億 分 の 1 の 大 き さ で、 ENIAC の 4 万 分 の 1 の 消 費 電 力 で 動 く。 し か し、 設 計 思 想 は 同 じ ─ 「プ ロ グ ラ ム 内 蔵 方 式・フ ォ ン・ノ イ マ ン 型」 な の だ。

フ ォ ン・ノ イ マ ン の ボ ト ル ネ ッ ク

フ ォ ン・ノ イ マ ン 型 に も 弱 点 が あ る ─ CPU と メ モ リ の 間 で 1 本 の バ ス (通 路) を 使 う た め、 こ こ が「ボ ト ル ネ ッ ク」 に な る。 こ れ を 解 決 す る た め、 現 代 で は 多 数 の キ ャ ッ シ ュ・ 並 列 処 理・GPU 等 の 工 夫 が 加 え ら れ て い る。

未 来 の コ ン ピ ュ ー タ ─ 量 子 コ ン ピ ュ ー タ・ニ ュ ー ロ モ ル フ ィ ッ ク チ ッ プ ─ は、 フ ォ ン・ ノ イ マ ン 型 を 超 え る 設 計 を 目 指 し て い る。 君 の 世 代 が、 こ の 次 の 設 計 を 担 う か も し れ な い。

結 び ─ ス マ ホ の 中 を 想 像 し て み よ う

君 が 今 持 っ て い る ス マ ホ・P C・ゲ ー ム 機。 そ の 中 で 動 い て い る の は、 1945 年 に ハ ン ガ リ ー 系 ア メ リ カ 人 が 描 い た 設 計 図 だ。

情 報 を ど う 動 か す か ─ こ の シ ン プ ル な 問 い に 対 す る ノ イ マ ン の 答 え が、 今 君 の 手 の 中 に あ る 機 械 を 動 か し て い る。