コンピュータシステム
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この章で学ぶこと
テクノロジ系 45 問のうち、この章は 6〜8 問ほどの出題があります。「CPU のコア数って何？」「SSD と HDD はどっちを選ぶべき？」「RAID って何が違うの？」「稼働率って何% あればいいの？」「クラウドの IaaS / PaaS / SaaS って何が違う？」といった、コンピュータを動かすハードとシステムの仕組みを扱う章です。
この章のキーワードは「速度と容量のトレードオフ」と「冗長化（二重化）」。メモリ階層も RAID も並列稼働も、すべて「速さを取るか、確実さを取るか、コストを取るか」のバランス設計の話。試験では数値比較や計算問題（稼働率）も出るので、概念だけでなく式も押さえる必要があります。
学習ゴール
この章を読み終えた時点で、以下ができるようになっていることを目指します。
- コンピュータの 5 大装置（入力・出力・記憶・制御・演算）の役割を判別できる
- CPU・GPU・GPGPUの違いを判別して、用途に応じた選定ができる
- メモリ階層（レジスタ・キャッシュ・主記憶・補助記憶）の速度と容量の関係を使いこなせる
- RAID 0/1/5/6 の違いを判別して、要件に応じた方式を選定できる
- 稼働率・MTBF・MTTR を判別して、直列・並列構成の稼働率を計算できる
- IaaS / PaaS / SaaS の責任分界（事業者と利用者の範囲）を判別できる
試験では: 「計算」と「判別」が 2 大テーマ。稼働率の直列・並列計算は毎年必出。RAID の違い、クラウドの提供範囲、メモリ階層の順序はそれぞれ複数問出ます。
1. コンピュータ構成要素
コンピュータの物理的な中身を構成する要素を見ていきます。CPU・メモリ・ストレージ・入出力機器は、どれも速度・容量・コストの三角形でバランスが取られていて、最適な組み合わせが使用目的によって変わります。ここでは選び方の基準と仕組みの基本を押さえます。
1.1 コンピュータの 5 大装置
| 装置 | 役割 | 代表例 |
|---|---|---|
| 入力装置 | データを取り込む | キーボード、マウス、スキャナ |
| 出力装置 | 結果を出す | ディスプレイ、プリンタ |
| 記憶装置 | データを保持 | メモリ、ストレージ |
| 制御装置 | 命令を解釈・制御 | CPU 内の制御ユニット |
| 演算装置 | 計算・論理演算 | CPU 内の ALU |
制御装置と演算装置を合わせて CPU（Central Processing Unit、中央処理装置）と呼びます。
1.2 プロセッサ（CPU）
CPU（Central Processing Unit、中央処理装置）はコンピュータの頭脳。命令を解釈し、計算し、結果をメモリに書き戻す一連の動作を1 秒間に数十億回繰り返しています。PC を買うとき 「Core i5 / i7、3.0 GHz、8 コア」 と書かれているのは、それぞれCPU の世代・クロック周波数・コア数を表します。試験では用語の意味とCPU・GPU・GPGPU の使い分けが頻出です。
主要用語
| 用語 | 意味 |
|---|---|
| クロック周波数 | 1 秒あたりのクロック信号（サイクル）の回数（Hz）。3 GHz なら 30 億サイクル/秒 |
| コア | CPU 内の処理単位。マルチコアで並列処理（8 コアなら同時に 8 つ処理） |
| スレッド | OS が管理する処理の単位（SMT で 1 コア複数スレッド） |
| キャッシュメモリ | CPU とメインメモリの間の高速バッファ（L1/L2/L3） |
CPU の種類
処理の種類に応じて最適なプロセッサは違います。汎用計算には CPU、画像処理や並列計算には GPU、AI 学習には GPGPU。家電や IoT には小型の マイコン、特殊用途には ASIC / FPGA と、用途特化型のプロセッサが広がっています。
| 種類 | 用途 | 代表例 |
|---|---|---|
| CPU | 汎用処理（命令実行・分岐） | Intel Core、AMD Ryzen |
| GPU | 画像処理・並列演算（3D CG・機械学習） | NVIDIA GeForce、Apple Silicon の GPU |
| GPGPU | GPU を汎用演算に応用（AI 学習等） | NVIDIA CUDA |
| マイコン（MCU） | 組込み機器向け小型 CPU | ルネサス、ATmega（Arduino） |
| ASIC | 特定用途向け集積回路（仮想通貨採掘・AI 推論） | Google TPU |
| FPGA | 書き換え可能な論理回路（回路設計実験等） | Xilinx、Intel Altera |
引っかけ: GPU と GPGPU の違い。GPU は本来画像処理用だが、数千コアの並列計算能力を汎用計算（AI 学習・科学シミュレーション）に転用したのが GPGPU。つまり「ハードウェアは同じ、用途が違う」のが正解。
1.3 メモリ
メモリの階層
CPU は計算するだけでデータを保持しません。そのデータをどこに置くかで速度・容量・価格のトレードオフが発生し、これを段階的に組み合わせたのが「メモリ階層」です。
- 上ほど速いが容量が小さく単価が高い（レジスタ・キャッシュ）
- 下ほど遅いが容量が大きく単価が安い（メインメモリ・補助記憶）
- 上の層で頻繁に使うデータをキャッシュし、下の層で大量データを保管する、という分担で全体性能を出します
| 階層（上ほど CPU に近い） | 速度 | 容量 | 単価 |
|---|---|---|---|
| レジスタ | 最速 | 最小（数 KB） | 最高 |
| キャッシュ（L1 / L2 / L3） | 非常に速い | 小（数 MB） | 高 |
| メインメモリ（DRAM） | 中 | 中（数 GB） | 中 |
| 補助記憶（SSD / HDD） | 遅い | 大（数 TB） | 安い |
ポイント: 上ほど 速いが小さく高価、下ほど 大きいが遅く安価。CPU は上の層を頻繁に参照し、下の層には大量データを置く分担で全体性能を出す。
ポイント: 「速度と容量はトレードオフ」が階層の本質。CPU に近いほど速くて小さく、遠いほど大きくて遅い。
メモリの種類
| 種類 | 揮発/不揮発 | 用途 |
|---|---|---|
| RAM（ランダムアクセスメモリ） | 揮発性 | 動作中のデータ |
| ROM（リードオンリーメモリ） | 不揮発性 | 起動時のプログラム |
| SRAM（Static RAM） | 揮発 | キャッシュ（高速・高価） |
| DRAM（Dynamic RAM） | 揮発 | メインメモリ（安価・大容量） |
| フラッシュメモリ | 不揮発 | USBメモリ、SSD |
DRAM の規格
DDR3 SDRAM → DDR4 → DDR5（新しいほど高速）。物理的な形状として DIMM（デスクトップ）、SO-DIMM（ノート）があります。
1.4 補助記憶装置（ストレージ）
| 種類 | 特徴 |
|---|---|
| HDD（Hard Disk Drive） | 磁気ディスク、大容量・低速 |
| SSD（Solid State Drive） | フラッシュメモリ、高速・静音 |
| CD / DVD / Blu-ray | 光ディスク |
| SD カード / USB メモリ | フラッシュメモリのリムーバブル |
RAID（ディスクアレイ）
複数のディスクを 1 つにまとめて、性能（速さ）と信頼性（壊れにくさ）を上げる技術です。代表的な 3 方式の動作を押さえます。
- ストライピング（RAID 0）: データを複数ディスクに分割して同時書き込み。高速だが冗長性ゼロ（1 台壊れたら全滅）
- ミラーリング（RAID 1）: 同じデータを 2 台にコピー保存。1 台壊れてももう 1 台で稼働。容量効率は半分
- パリティ分散（RAID 5）: データに加えて「復元用情報（パリティ）」を分散保存。1 台までの故障から自動復元できる。容量効率も良い
RAID 0（ストライピング）
2 台のディスクにデータを分割して同時書込み
| Disk 1 | Disk 2 |
|---|---|
| A1 | A2 |
| B1 | B2 |
| C1 | C2 |
高速だが冗長性なし — 1 台壊れたら全データ消失
RAID 1（ミラーリング）
同じデータを 2 台に複製保存
| Disk 1 | Disk 2（複製） |
|---|---|
| A | A |
| B | B |
| C | C |
1 台までの故障に耐える — 容量効率は半分
RAID 5（パリティ分散）
データ + パリティ（復元用情報）を 3 台に分散
| Disk 1 | Disk 2 | Disk 3 |
|---|---|---|
| A1 | A2 | Ap |
| B1 | Bp | B2 |
| Cp | C1 | C2 |
太字 = パリティ（復元用情報）
1 台までの故障から自動復元 — バランス型
| RAID | 方式 | 必要台数 | 容量効率 | 故障許容 | 特徴 |
|---|---|---|---|---|---|
| RAID 0 | ストライピング | 2 台〜 | 100% | なし | 高速、冗長なし |
| RAID 1 | ミラーリング | 2 台 | 50% | 1 台 | 高信頼、容量半分 |
| RAID 5 | パリティ分散 | 3 台〜 | (n−1)/n | 1 台 | バランス型、容量効率良 |
| RAID 6 | 二重パリティ | 4 台〜 | (n−2)/n | 2 台 | 大規模・高信頼 |
| RAID 1+0 | ミラー + ストライピング | 4 台〜 | 50% | 各ペア 1 台 | 高速 + 高信頼 |
試験では: 「RAID 5 は何台まで故障に耐えられるか」「RAID 1 は容量効率いくつか」が頻出。復元できるのは 1 台まで（RAID 6 は 2 台）と確実に覚える。
1.5 入出力インタフェース
周辺機器と本体をつなぐ規格は、有線（USB・HDMI 等）と無線（Bluetooth・NFC 等）の 2 系統に分かれます。近年は USB-C 1 本で充電・映像・データを賄う時代になり、規格が大きく変わりつつあります。試験では名称と特徴の対応が問われます。
| 規格 | 種類 | 特徴 |
|---|---|---|
| USB（Type-A/B/C） | 有線 | 汎用、Type-C は表裏対称・高速給電（Power Delivery） |
| HDMI | 有線 | 映像 + 音声デジタル伝送。テレビ・モニタの主流 |
| DisplayPort | 有線 | PC モニター向け、高リフレッシュレート |
| Bluetooth | 無線 | 近距離（〜10m）、イヤホン・マウス・スマート家電 |
| NFC | 無線 | 超近距離（〜10 cm）、決済（Suica・おサイフケータイは FeliCa＝NFC の一種） |
| IrDA | 無線 | 赤外線、旧型（現在は使われない） |
| RFID | 無線 | 電子タグ、物流管理・ID カード |
2. システム構成要素
コンピュータを単体で使うのではなく、複数台を組み合わせてシステムとして動かします。処理をどう分担するか（集中・分散）、故障にどう備えるか（冗長化）、クラウドをどう使うか（IaaS/PaaS/SaaS）——この節は実運用の現場で最も重要な設計判断を扱います。試験では特に冗長化方式の判別とクラウド形態の判別が頻出です。
2.1 システムの構成方式
システムの処理形態は中央集権型 vs 分散型で大別されます。昔の銀行は1 台のホストコンピュータに全処理を集約していましたが、現在はサーバを分散配置するクライアントサーバ型が主流です。さらに P2P では中央サーバが不要、シンクライアントでは端末側を最小構成にする、などの派生形があります。
| 方式 | 特徴 | 例 |
|---|---|---|
| 集中処理 | ホスト 1 台で処理 | 旧来のメインフレーム |
| 分散処理 | 複数台で処理を分担 | Web サービス全般 |
| クライアントサーバ | クライアントが要求、サーバが応答 | Web、メール、DB |
| ピアツーピア（P2P） | 各端末が対等、サーバ不要 | BitTorrent、古い Skype |
| シンクライアント | 端末は最小構成、サーバで処理 | 銀行の窓口端末、VDI |
具体例: 会社のファイルサーバはクライアントサーバ型（社員 PC が要求、サーバが応答）、Zoom はハイブリッド（中央サーバを通すが P2P に近い通信も使う）、Bitcoin は純粋な P2P。
2.2 冗長化と信頼性向上
システム停止は業務停止を意味し、1 分数百万円の損失につながる業務もあります。これを防ぐために冗長化（二重化・複数化）を行い、1 台壊れても止まらない構成を作ります。「待機系が常に動いているか」「切替時間がどれだけか」で方式が分かれます。
| 方式 | 内容 | 切替時間 | 用途 |
|---|---|---|---|
| デュアルシステム | 同じ処理を 2 台で並行実行し結果比較 | 0（同時稼働） | ミッションクリティカル（銀行・航空） |
| デュプレックスシステム | 主系と待機系を用意、主系障害時に切替 | 方式次第 | 汎用システム |
| クラスタリング | 複数台を1 つのシステムに見せる | 秒単位 | 大規模 Web サービス |
| ロードバランサ | 負荷を複数サーバに分散 | — | Web サービスの基本構成 |
| ホットスタンバイ | 待機系も常時稼働、瞬時切替 | 数秒 | 重要システム |
| ウォームスタンバイ | 待機系は起動済みだが非本番 | 数分 | 準重要システム |
| コールドスタンバイ | 待機系は普段停止、切替に時間要 | 数時間 | コスト重視 |
頻出: ホット（常時稼働）→ ウォーム（起動済）→ コールド（停止）の順で切替時間が伸び、コストが下がる。銀行システムはホット必須、災害対策用バックアップはコールドで十分、のように業務の重要度で選ぶ。
2.3 仮想化とクラウド
仮想化は「1 台の物理サーバの上に複数の OS を動かす」技術。従来 10 台必要だったサーバを 1 台に集約でき、コスト・電力・設置スペースが大幅削減できます。近年はVM より軽量なコンテナ（Docker）が主流になり、サーバの使い方が抜本的に変わりました。
| 用語 | 意味 |
|---|---|
| 仮想マシン（VM） | 1 台の物理サーバ上に複数の OS を動かす（VMware、Hyper-V） |
| コンテナ | VM より軽量な仮想化（Docker 等）、アプリ単位で分離 |
| VDI（Virtual Desktop Infrastructure） | デスクトップをサーバで実行、端末は画面転送のみ |
| NAS（Network Attached Storage） | ネットワーク経由で使える共有ストレージ（家庭・中小企業向け） |
| SAN（Storage Area Network） | 高速ストレージ専用ネットワーク（大規模データセンタ向け） |
引っかけ: VM とコンテナの違い。VM はOS ごと仮想化するので重いが分離が強固、コンテナはOS カーネルを共有しアプリ単位で分離するので軽量・起動が速い。クラウドネイティブな現代のアプリはコンテナが主流。
クラウドサービスの形態
クラウドサービスの本質は「どこまでをクラウド事業者が用意してくれて、どこから先を自分で管理するか」の境界線（責任分界）の違いです。下に行くほど自分で管理する範囲が狭くなり、楽になります。
オンプレミス
全部自分で管理
| アプリ |
| データ |
| ミドルウェア |
| OS |
| 仮想化 |
| サーバ・ストレージ |
| ネットワーク |
自由度: 最大 / 例: 自社サーバルーム
IaaS（Infrastructure）
| アプリ（利用者管理） |
| データ（利用者管理） |
| ミドルウェア（利用者管理） |
| OS（利用者管理） |
| 仮想化（事業者） |
| サーバ・ストレージ（事業者） |
| ネットワーク（事業者） |
自由度: 高い / 例: AWS EC2
PaaS（Platform）
| アプリ（利用者管理） |
| データ（利用者管理） |
| ミドルウェア（事業者） |
| OS（事業者） |
| 仮想化（事業者） |
| サーバ・ストレージ（事業者） |
| ネットワーク（事業者） |
自由度: 中 / 例: Heroku、GAE
SaaS（Software）
| アプリ（事業者） |
| データ（事業者） |
| ミドルウェア（事業者） |
| OS（事業者） |
| 仮想化（事業者） |
| サーバ・ストレージ（事業者） |
| ネットワーク（事業者） |
自由度: 低（楽） / 例: Gmail、M365
凡例：濃いオレンジ＝事業者が提供、白＝利用者が管理。I → P → S の順で「事業者がより多く」提供する範囲が増える。
| 形態 | 正式名 | 事業者が提供する範囲 | 例 |
|---|---|---|---|
| IaaS | Infrastructure as a Service | 仮想化〜ネットワークまで（OS から上は利用者） | AWS EC2、GCP Compute Engine |
| PaaS | Platform as a Service | OS・ミドルウェアまで（アプリ・データは利用者） | Google App Engine、Heroku |
| SaaS | Software as a Service | アプリケーションまで全部（利用者は使うだけ） | Gmail、Microsoft 365 |
| DaaS | Desktop as a Service | 仮想デスクトップ環境 | Amazon WorkSpaces |
覚え方: IaaS は Infrastructure（土台だけ）、PaaS は Platform（開発環境まで）、SaaS は Software（完成品アプリ）。「自由度↔楽さ」のトレードオフ。
2.4 システム評価指標
システムの「どれだけ安定しているか」「いくらかかるか」を数値で測る指標。試験では特に稼働率計算が毎年必出で、直列・並列の違いと計算式を理解していれば確実に得点できる領域です。
稼働率
稼働率 = MTBF ÷ (MTBF + MTTR)
システムがどれだけの時間動いているかを全体に対する割合で表したもの。「99.9%」は年間停止時間約 8.76 時間、「99.99%」は約 52 分、「99.999%」は約 5 分。大規模サービスでは小数点以下 1 桁の違いが年間数時間の停止時間の差になります。
| 指標 | 意味 |
|---|---|
| MTBF（Mean Time Between Failures） | 平均故障間隔（故障が起きる間隔の平均、長いほど良い） |
| MTTR（Mean Time To Repair） | 平均修理時間（故障から復旧までの平均時間、短いほど良い） |
具体例: 稼働率 99.9% のサーバは、MTBF = 1000 時間、MTTR = 1 時間、というような関係。故障しにくさ（MTBF）と復旧の速さ（MTTR）の両方が効くので、片方だけ改善しても効果は半分。
覚え方: MTBF の Between は「間」、MTTR の Repair は「修理」。稼働率は「動いている時間 ÷（動いている時間 + 止まっている時間）」。
直列・並列システムの稼働率
複数の装置を組み合わせるとき、「全部動かないとダメ（直列）」か 「どれか 1 つ動けば OK（並列）」かで稼働率の出し方が違います。
- 直列構成 = AND: すべての装置が動作している必要がある（1 台でも止まれば全停止）
- 並列構成 = OR: いずれか 1 台でも動作していればよい（冗長化）
直列構成（AND）
両方動作で稼働
R = R₁ × R₂
例: 0.9 × 0.9 = 0.81
⚠ 信頼性が下がる（1 台でも止まれば全停止）
並列構成（OR）
片方動作で稼働
└→ 装置 2 (R₂) →┘
R = 1 − (1 − R₁)(1 − R₂)
例: 1 − 0.1 × 0.1 = 0.99
✓ 信頼性が上がる（両方止まる確率を 1 から引く）
| 構成 | 計算式（2 台） | 直感 |
|---|---|---|
| 直列 | R₁ × R₂ | 両方の AND |
| 並列 | 1 − (1 − R₁)(1 − R₂) | 「両方とも止まる確率」を 1 から引く |
例: 稼働率 0.9 の装置 2 台
- 直列: 0.9 × 0.9 = 0.81（信頼性が下がる）
- 並列: 1 − 0.1 × 0.1 = 0.99（信頼性が上がる）
ポイント: 並列の式は「故障率の AND を 1 から引く」と覚える。両方が同時に故障する確率（0.1 × 0.1 = 0.01）を稼働率全体（1）から引いて 0.99。
コスト指標
| 指標 | 意味 |
|---|---|
| TCO（Total Cost of Ownership） | 導入から廃棄まで全期間の総所有コスト |
| 初期費用 | 導入時の一時費用 |
| 運用費用 | 運用中の継続費用（電気代・保守・人件費） |
3. ハードウェア
コンピュータ本体とその周辺機器の物理装置。使用目的に応じた種類があり、PC・サーバ・組込み機器と性質が違います。ディスプレイ・プリンタ・入力装置は日常で触れる機器なので、用語を覚えるだけでなく「どこでどんな技術が使われているか」のイメージも持っておくと試験で迷いにくくなります。
3.1 コンピュータの種類
コンピュータは用途・性能・形状で分類されます。家庭や会社で使う PC、業務処理専用のサーバ、専門家向けのワークステーション、モバイル用途のスマートデバイス、家電に組み込まれるマイコン——同じ「コンピュータ」でも用途によって設計が大きく違います。
| 種類 | 用途 | 特徴 |
|---|---|---|
| サーバ | 業務用（Web・DB・ファイル） | 24 時間稼働、冗長化、ラックマウント |
| PC（パソコン） | 個人・事務用 | 汎用、コストパフォーマンス重視 |
| ワークステーション | 高性能 PC（CAD・映像制作・CG） | 高性能 GPU・大容量メモリ |
| スマートデバイス | スマホ・タブレット | モバイル、バッテリ駆動 |
| 組込み機器 | 家電・IoT デバイス | 専用マイコン、低消費電力 |
3.2 ディスプレイ
映像を表示する装置。昔のブラウン管（CRT）は姿を消し、現在は液晶（LCD）と有機 EL（OLED）の 2 強。それぞれ発光方式が根本的に違い、コストや画質特性に影響します。スマホの有機 EL が「黒が締まって見える」のは、黒い部分は発光しないためです。
| 方式 | 特徴 | 用途 |
|---|---|---|
| 液晶（LCD） | バックライト必須、消費電力小 | PC モニタ、中価格帯テレビ |
| 有機 EL（OLED） | 自発光、コントラスト高、黒が締まる | 高級スマホ、高級テレビ |
| 3D ディスプレイ | 立体視 | 一部医療・CAD |
3.3 プリンタ
紙に印刷する装置。家庭はインクジェット（色鮮やか・安価）、業務はレーザ（高速・高画質）が定番。近年は3D プリンタで立体造形も可能になり、製造業や試作品作りに使われています。試験では方式名 → 特徴の対応が問われます。
| 方式 | 特徴 | 用途 |
|---|---|---|
| レーザプリンタ | 高速・高画質、業務向け | オフィス、大量印刷 |
| インクジェット | 家庭向け、写真印刷に強い | 家庭、写真館 |
| 3D プリンタ | 立体造形（プラスチック・金属） | 試作、フィギュア、医療 |
3.4 入力装置
データを人間からコンピュータに送り込む装置。キーボード・マウス以外にも、紙の文書をデジタル化するOCR、マークシートを読み取るOMR、商品コードを読むバーコードリーダなどがあります。用途に応じた専用の入力装置があるのが特徴です。
| 装置 | 用途 |
|---|---|
| タッチパネル | 直接指で操作（スマホ・タブレット） |
| スキャナ | 紙を電子化（画像として取込） |
| OCR（Optical Character Recognition） | 画像内の文字をテキスト化（名刺管理・書類電子化） |
| OMR（Optical Mark Recognition） | マークシート読取（試験・アンケート） |
| バーコードリーダ | 商品識別（POS レジ・物流） |
引っかけ: OCR と OMR の違い。OCR は文字認識（名刺・書類の文字をテキスト化）、OMR はマーク認識（塗りつぶされた位置を検出）。マークシート試験の採点は OMR。
📋 章末まとめ
最重要ポイント 10 連発
- 5 大装置 — 入力・出力・記憶・制御・演算
- CPU / GPU / GPGPU — 汎用・画像・並列演算
- RAM（揮発）と ROM（不揮発）
- メモリ階層 — レジスタ > キャッシュ > メイン > ストレージ
- HDD vs SSD — 磁気 vs フラッシュメモリ
- RAID 0/1/5 — ストライピング・ミラー・パリティ分散
- SaaS / PaaS / IaaS — 提供範囲の違い
- 稼働率 = MTBF ÷ (MTBF + MTTR)
- 直列 vs 並列 — 片方停止で全停止 vs 両方停止で全停止
- TCO — 導入〜廃棄の全所有コスト
出題傾向のコツ
- 稼働率計算は必出（直列と並列の公式を暗記）
- RAID は 0・1・5 の特徴を混同しない
- SaaS/PaaS/IaaS は「何まで提供してくれるか」で判定
- 用語の英語略称は正式名称とセットで
出典シラバス: ITパスポート試験シラバス Ver.6.5（2026年1月・IPA公開）
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