コンピューター発展史とデータの単位

大航海時代になると、天文学と測量技術にもとづく船や陸地の正確な位置の測定が不可欠になります。その計算のためには大きな数の乗除算が必要でした。対数関数を用いると乗算と除算を、それぞれ加算と減算に変換できることから、17世紀に入ると、あらかじめ対数関数の値を計算した表（対数表）が出版されるようになります。この対数表は膨大な手計算により作成されしばしば計算間違いもありました。

19世紀英国の数学者チャールズ・バベッジは、自動的に対数表を作成するために、複雑な多項式を計算して印字する手回し式の歯車計算機械「階差機関（Difference Engine）」を考案し、1822年に王立天文学会でその構想を発表しました。翌1823年には政府資金を得て、6階の階差により10進20桁で計算する階差機関1号機の製作を開始しました。しかし、資金難や人間関係等により完成には至りませんでした。バベッジは後に、7階の階差により10進31桁で計算する改良版の階差機関2号機も設計しています。その後、ロンドンの科学博物館が残された設計図をもとに階差機関2号機の製作に取り組み、1991年にまず計算部分を完成させ（印字機構は2000年に完成）、実際に動くことが示されました。

バベッジは、階差機関をさらに発展させ、蒸気機関を動力源として歯車で動くコンピューター、解析機関（Analytical Engine）を設計しました。解析機関はそれまでの計算機械と異なる画期的な性質を備えていました。それはプログラミングができる仕組みです。それまでの計算機械は特定の計算に特化した専用機として制作されていました。しかし、解析機関はプログラムをパンチカードとして与えることによって、様々な計算を柔軟にできるようになる汎用性を備えていました。今の2進法に基づくコンピューターと異なり10進法を採用しており、40桁の数字を1000個蓄えることができる記憶装置を備えていました。解析機関の特筆すべき性質は、実機は存在していないものの、設計上はチューリング完全であると考えられている世界初のコンピューターだということです。 現在、解析機関を制作するためのプロジェクトも発足していますが、その実現までにはまだまだ時間がかかるようです。

詩人バイロンの娘エイダ・ラブレスは、バベッジと交流して解析機関を深く理解し、史上初のプログラマとして知られています。1843年、彼女は解析機関を紹介するメナブレアの論文を英訳し、それより長い注釈を付けて発表しました。その注釈(ノートG)には、解析機関でベルヌーイ数を計算する手順が表の形で書かれています。バベッジ自身も以前から計算手順を書いていたため、「最初のプログラム」を誰の功績とするかには議論があります。バベッジは回想録の中で、彼女がその手順の中にあった自分の大きな誤りを見つけたと書いています。また、エイダは解析機関が数だけでなく音のような記号も扱えるとして、作曲への応用にも言及しました。計算を数値計算に限らない記号の操作として捉えていた点で、現代的な視点をもっていたといえます。エイダの名を冠したプログラミング言語Adaが1983年米国防総省によって規格化され、ボーイング社やエアバス社の航空システムを始めとする民間のシステムで現在も使われ続けています。

第二次世界大戦では、弾道計算や暗号解読といった目的のために、正確に大量の計算をするためのコンピューターが開発されました。戦争はコンピューターの発展を促す一要因でした。

デジタルコンピューターは、オン・オフの役割をはたすスイッチ回路（論理演算素子）の集積化・省電力化・低コスト化の歴史と重なります。

ビジネスの観点からは、第3.5世代と第4世代の主な違いは、コンピューターの用途や市場の広がりにあると言えます。第3.5世代では、LSIの登場による小型化・低価格化でパーソナルコンピューターが誕生し、コンピューターは専門家や大企業だけの道具から個人でも手軽に購入できる一般消費者向けの製品へと変化しました。続く第4世代では、VLSIによるさらなる高性能化・高機能化によって、パーソナルコンピューターの普及が進むと同時に、ワークステーションやスーパーコンピューターも登場し、ビジネスや科学技術など専門的な分野での活用が広がりました。

第4世代より後は、コンピューターのハードウェアを世代によって分類することはなくなりました。

現代のプロセッサ技術は、単純な集積度の向上だけでなく、様々な方向に進化しています。

後にインテルの創業者の1人となるゴードン・ムーアは1965年に発表した記事で、それまでのデータから1つの集積回路に詰め込む部品(素子)の数は、少なくとも1975年ごろまでは1年ごとに倍になると予想しました。後に「ムーアの法則」と呼ばれるこの予測は、1975年に約2年で倍になるペースに修正され、その後も2010年代までおおむねそのペースで実現されてきました。代表的な製品のトランジスタ数をプロットした結果が図 5です（横軸は西暦、縦軸はチップあたりのトランジスタ数。縦軸は1目盛ごとに10倍になる対数目盛であることに注意）。点線は「2年で2倍」のペースを表します。対数目盛では、一定の割合で増えていくもの(指数的に増えるもの)が直線に見えます。1971年のIntel 4004の2300個から出発して2年ごとに倍にしていくと50年後に何個になるかは、練習問題1で計算してみましょう。

指数的な増加は、我々の一般的な感覚を超えた値の爆発的な増加を意味しています。米粒とチェス盤の逸話では、チェス盤（64マス）の1マス目に1粒、2マス目に2粒、3マス目に4粒と、次のマスに倍の米粒をおいてゆくと、64マス目は、何粒になるかという問題が扱われています。64マス目に置かれる米粒は 2⁶³ ≈ 9.2×10¹⁸粒、チェス盤全体の合計では 2⁶⁴−1 ≈ 1.8×10¹⁹粒となります。この合計は、世界の米の年間生産量の概算2.5×10¹⁶粒の約700年分に匹敵する量になります。

回路の集積密度の指数的な発展を予測したこの法則がこれまで実現されてきたことは驚異的なことです。集積密度の増加は、コンピューターの速度向上、価格低下、消費電力低下、メモリ容量増大に直接影響する要素です。

第1章で確認したように、現在のデジタルコンピューターはスイッチのオン・オフ、電圧の高・低といった2つの異なった状態に基づいて設計されています。そのため、データの容量や通信量を表す単位として、0と1のみを用いた数の表記法である2進法に基づいた単位、ビットとバイトを用います。

数字の0から255までの256種類の数を表現するために、2進法では 2⁸=256 であるから8桁、つまり8ビット必要です。一般に、\(n\) ビットでは \(2^n\) 通りの状態を区別できます。n進法や基数、16進法で 0〜9 と A〜F の16種類の記号を使うこと、基数を右下の括弧で示す 1010₍₂₎ のような表記については、第1章で復習しました。忘れている人は、第1章か補足資料 2進法の表記と変換 に戻ってください。

一般に、メモリの容量やデータ通信量は膨大な値になるため、桁が大きくなってしまいます。そのため「キログラム」の「キロ」のように、単位グラムの前に大きな量を表す語（接頭辞（prefix））を用います。国際単位系（SI）では1キロは1000を表します。一方で、半導体メモリ等、もともと内部で2進法に親和性の高い設計を行っている対象では、1キロは 2¹⁰=1024を表すのが一般的です。各々、同じ記号では混乱するために、国際電気標準会議(IEC)は1998年に、2進法に基づく接頭辞に従来と異なる記号(Ki, Mi, Gi など)を割り当てることを決めました(規格としての発行は1999年)。単位どうしの関係を図 6にまとめます。

接頭辞は、10³ ≈ 1024 = 2¹⁰ より、指数部は10進接頭辞は3の倍数、2進接頭辞は10の倍数で記号の対応をとります。2022年の国際度量衡総会(CGPM)では、SI接頭辞として新たに10²⁷を表すロナ(R)と10³⁰を表すクエタ(Q)が追加されました。対応する2進接頭辞ロビ(Ri)とクエビ(Qi)は、2025年改訂の国際規格IEC 80000-13で追加されました。

コンピューターシステムにおいて、メモリ容量を表す際にはKBなどの接頭辞が2進接頭辞(1KiB = 1024バイト)の意味で使われるのが一般的です。メモリについては表記も1KiBや1kBではなく1KBが使われています。これには以下のような技術的・歴史的背景があります。

一方、ストレージデバイス(HDDやSSD)の容量表示では、メーカーは一般的に10進接頭辞（1kB = 1000バイト）を使用します。SIの接頭辞の本来の意味どおりの表示ですが、2進接頭辞による表示と比べると数値が大きく見えることにもなります。

10進接頭辞と2進接頭辞を区別するために異なる記号が割り当てられたにも関わらず、一般向けの製品やソフトウェアの表示ではあまり普及していません(Linuxのツールなどでは KiB、MiB の表示も使われます)。

同じ記号の2進接頭辞と10進接頭辞の比は、キロで 1024/1000 = 1.024 倍、メガで 1.024² ≈ 1.049 倍、ギガで 1.024³ ≈ 1.074 倍と、接頭辞が1段上がるごとに 1.024 倍ずつ広がります。差の割合はキロの2.4%からテラでは約10%になります(図 7)。差の絶対量は1段ごとに約1000倍になるので、1TiBと1TBの差は約100GBにもなります(練習問題3)。

また、半導体メモリの仕様を策定している半導体の業界団体JEDECのメモリ標準では、K(大文字), M, G, T といった記号を2進接頭辞として用いることを許容しています。

ここまでの知識で、次のような身近な困りごとを説明できます。

Windows11で補助記憶装置であるハードディスクの容量を表示しました（下図）。 「使用領域」、「空き領域」、「容量」のそれぞれについて、バイトで書かれた値が GB表示された値とほぼ一致していることを確認してください。

実際に計算してみると以下のように確認できます。

容量が476GBではなく475GBと表示されていることから、Windowsは有効数字3桁程度で、四捨五入ではなく切り捨てて表示していることがわかります。

もう1つWindows11でファイルサイズを表示しました（下図）。バイトで書かれた値がMB表示された値とほぼ一致していることを確認してみてください。

これについても、たしかに次のように確認できます。

さらにややこしいことに、Windows と macOS (10.6以降) ではファイル容量表示の流儀が異なるのです。macOSでは、図 9と同じファイルを Finder という標準ツールで表示すると、図 10のように表示されます。図 9のバイト数と見比べると、10進接頭辞になっていることがわかります（ただし、K は大文字になる）。

以下の表 3に、ツールや記憶媒体ごとの領域・サイズの表示方法をまとめました。2進と10進の接頭辞が混在していることがわかります。

ファイルのサイズは10進接頭辞を用いる macOS でも、主記憶装置の容量表記はJEDECの標準に従って2進接頭辞を用いています。

ここからは、テキスト・音声・画像・動画のデータ量を具体的に計算してみます。圧縮していないデータの量は、どれも「1つあたりの量 × 個数」のかけ算で見積もれます(図 11)。実際のファイルの多くは圧縮されているので、非圧縮の量を圧縮比で割った大きさになります。

さて、ここではCDプレイヤーで音楽を聴くにはどのくらいの速度でデータを読み込まなくてはいけないか考えてみます。この値はすでに先程計算した 1411200 b/秒 です。通信速度には (b/秒) の表記の代わりに bps (bit per second) の表記を用います。つまり、CDプレイヤーでは約1.4Mbps のデータ読み取り速度が要求されます。

一概に速度といっても、装置そのものが本来もっているデータを読み書きする速度と、装置をつなぐコネクタやケーブルのもつデータ転送速度などでは性質が異なります。実際のデータ転送速度は、これらの複合的な要因によって決まります。いくら読み書きが速い記憶装置をもっていても、そのデータを送信する通信方式やケーブルの転送速度の上限が低ければ、それらの要因がボトルネック(瓶の首のように細く、流れを制限する部分)になって装置そのものの性能は発揮できません(図 13)。

図の例では、USB 5Gbps の接続も SSD の読み出しも HDD への書き込みより速いので、全体の速さはHDDで決まります。なお、5Gbps を8で割ると625MB/sですが、USB 5Gbps(USB 3.2 Gen1)では信号の符号化に2割を使うので、運べるデータは最大で約500MB/sです。このように、規格の速度の表示は、実際に運べるデータの速さの上限であって、そのまま出るわけではありません。

たとえば、インターネット上でファイルのデータを送信する場合には、送信先などの付加情報(ヘッダー)や、誤りを見つけて送り直すためのやりとりが加わります。さらに回線はほかの利用者と共有されているので、実際に運べるデータの速さは、回線の速度の表示よりかなり遅くなるのが普通です。

以下の表に状況に応じたデータ転送速度の目安を示します。

これらは、映像や音声を途切れずに受け取るために必要な速度の目安です。実際に流れるデータは、映像の内容や圧縮の設定によって変わります。

USB PDの仕組みを理解するために、電気に関する基本的な単位の関係を整理しておきます。

三者の間には次の関係があります。

例えば、20V / 3A の給電は 60W、20V / 5A の給電は 100W になります。同じ電力を流す場合でも、電圧を上げれば電流は小さくて済みます。これは高電力のUSB PDで電圧を上げる方式が採用されている理由にもなっています。100Wを5Vだけで流そうとすると20Aが必要になりますが、USB Type-Cコネクタやケーブルでそれだけの電流を安全に流すことは現実的ではありません(導線の発熱は電流の2乗に比例するため)。

ケーブルに流せる電流の上限は、導線の太さや素材、コネクタの接触抵抗によって決まります。そのため、USB PDでは電源側(Source)、受電側(Sink)、ケーブル(E-Marker内蔵のもの)の三者でネゴシエーションを行い、安全に供給できる電圧・電流を決める仕組みになっています。

USB PDでは、電源側(Source)と受電側(Sink)の間で電力ネゴシエーションと呼ばれる通信が行われます。これは両デバイスが対話して最適な電圧と電流を決定するプロセスです。

このネゴシエーションは充電器と機器の中の専用のPDコントローラーチップが行い、通常は1秒もかからずに終わります。例えば、ノートPCは充電が必要なときには高電力(65W〜100W)を要求し、バッテリーが満充電に近づくと、より少ない電力に切り替えることがあります。

USB PDでは、高電力を安全に供給するためにケーブルの性能も重要な要素となります。特に3Aを超える電流（最大5A）や、EPR(Extended Power Range: 20Vを超える28V・36V・48Vを使う拡張)の電圧を扱うケーブルには、「E-Marker」(電子マーカー)と呼ばれる小型チップが内蔵されています。

E-Markerの役割:

例えば、3Aまでしか対応していないケーブルが接続された場合、電源側は自動的に電流を3Aに制限し、5Aを必要とする高電力プロファイル（20V/5A=100W）の提供を行いません。これにより、ケーブルの過熱や損傷を防止します。

複数のUSBポートを持つ充電器では、全ポートの合計電力は充電器の定格を超えることができません。複数のデバイスを接続すると各ポートへの電力が自動的に再分配され、その際に全ポートへの給電が数秒間切れる（瞬断する）ことがあります。詳しい挙動と注意点は「マルチポート充電器の電力分配の詳しい挙動」で説明します。

USB PDは高電力を扱うため、様々な安全機能が組み込まれています：

これらの保護機能は、ケーブルやコネクタの損傷、不適切な使用による事故を防止するために重要です。

USB PD対応機器を安全に使用するためには、以下の点に注意してください。

「外出先でUSB充電するとデータを取られる可能性があるので、100円ショップで買ったケーブルを使えば安全」といった説明を目にすることがあります。これは一見もっともらしいのですが、通信面でも物理面でも必ずしも正しくありません。むしろ二重に危険な側面があります。

誤解 1: 100円ショップのケーブルは充電専用とは限らない

ダイソーやセリアなどで販売されている 110円〜330円のUSBケーブルの多くは、商品名に「充電・転送ケーブル」「充電通信ケーブル」と書かれているとおり、USB 2.0規格の最大480Mbps でデータ通信にも対応しています。330円のUSB 3.0対応 Type-C to Type-Cケーブル(最大5Gbps)も販売されており、これは普通にデータ転送できるケーブルです。

本来の「充電専用ケーブル」は、データ線(D+/D-)が物理的に配線されておらず、電源線のみが繋がっている製品です。これは別商品として存在しますが、100円ショップで常に見つかるとは限らず、パッケージに「充電専用」「データ通信不可」と明記されているかを確認する必要があります。見分けずに「安物なら通信しないだろう」と思い込むと、データ保護の意図は達成できません。

誤解 2: 「ジュースジャッキング対策」としてケーブルを選ぶのは的外れ

公共のUSBポートに細工して、接続した端末にマルウェアを送り込んだり、データを抜き出したりする攻撃はジュースジャッキング(juice jacking) と呼ばれています。2011年にセキュリティジャーナリストのブライアン・クレブスが提唱した概念で、FBI(2023年、デンバー支局)、FCC(米連邦通信委員会)、TSA(米運輸保安庁、2025年)などが繰り返し警告を出しています。

ここで区別しておきたいのは、「USB接続を経由してマルウェアに感染する」ことと「公共の充電ポートから感染する」ことは別の話だという点です。前者には実害の記録が数多くあります。

つまり「素性の知れないUSB機器を挿す」という行為そのものは、実績のある攻撃経路です。

一方で、公共の充電ステーションで一般利用者が実際に被害に遭ったと確認できる公開事例は、現時点では見当たりません。上記の政府機関の警告も、具体的な被害届ではなく「技術的に可能である」という前提に立ったものです。これは現在のスマートフォンOSに次の防御機構があるためだと説明されてきました。

ただし、ここから「だから安全だ」と結論するのは早計です。

「報告がない」は「起きていない」の証明ではありません。 標的を絞って行われた攻撃は被害者本人が気づかないことが多く、気づいたとしても公表されるとは限りません。公開情報の欠如は、リスクの不在ではなく「確認されていない」という状態を示すにすぎません。

許可ダイアログは絶対の防壁でもありません。 2025年、オーストリアのグラーツ工科大学の研究チームは USENIX Security で ChoiceJacking という手法を発表しました。悪意ある充電器がキーボードなどの入力装置としても振る舞い、許可ダイアログが表示された瞬間に自分で「許可」を押してしまう、というものです。利用者は画面に触れていません。研究チームは8社の端末を評価し、AndroidでもiPhoneでも、すべての端末でファイルへのアクセスを許してしまうことを示しました。報告を受けて多くのメーカーが対策を進め、たとえばAppleはiOS 18.4で、USBのデータ通信を許可する際にパスコードの入力を求めるよう変更しました。逆にいえば、OSを更新していない端末ではダイアログによる防御は当てにできません。

本質的な対策は「ケーブルを安物にすること」ではありません。 OSを最新に保つこと、見知らぬ充電ポートで「信頼する」「許可する」を安易に押さないこと、そして可能なら公共USBポートではなくコンセントと自前のACアダプター、あるいはモバイルバッテリーを使うことです。

危険 1: 粗悪なケーブルはそれ自体が発火の原因になる

より現実的に注意すべきは、ケーブル自体の物理的な安全性です。国民生活センター、NITE(製品評価技術基盤機構)、各地の消防局などから、次のような事例が報告されています。

安価なケーブルは 断線しやすい、絶縁体が薄い、導線が細すぎる/不適切な素材といった問題を抱えているものがあり、高電流が流れると発熱して最悪の場合発火します。「安いから通信できない」どころか、「安いから危ない」のです。

危険 2: 仕様を偽るUSB PDケーブルの存在

近年のUSB PDケーブル(E-Marker内蔵)では、パッケージ表記と実際の仕様が一致しない製品も指摘されています。たとえば2024年には、ダイソーで販売されていた330円のUSB 3.0ケーブルについて、パッケージには「最大100W」と記載されていながら、E-Markerが「50V・5A」(240WのEPRに対応するケーブルの値)を報告する個体があるという検証結果が個人のブログで報告されました。対応する高電力アダプター(USB PD EPR対応機器)と組み合わせると、ケーブルの設計想定を超える電力が流れる可能性があり、発熱・発火のリスクがあります。

日本の法規制: PSEマーク

日本では電気用品安全法(PSE)により、ACアダプターは「特定電気用品」(ひし形のPSEマーク)、モバイルバッテリーは「電気用品」(丸形のPSEマーク)として、販売前の適合試験と表示が義務付けられています。ただしUSBケーブル単体はPSEの対象外であるため、認証なしの製品でも販売できます。そのため、ケーブルについてはUSB-IF(USB Implementers Forum)の認証ロゴ(SuperSpeed USBロゴ、Certified USBロゴなど)の有無や、メーカーの信頼性で判断するしかありません。

まとめ

USB PD対応のマルチポート充電器では、各ポートの出力電力の合計がアダプター本体の定格を超えることはできないという物理的な制約があります。

例として40WのUSB-C × 2ポート充電器を考えます。1台だけ機器を接続したときは、そのポートが最大40W(例: 20V/2A)を出力します。しかし途中で2台目の機器をつなぐと、充電器は次のような動作をします。

この「数秒の瞬断」は、スマートフォンやタブレットのようにバッテリーを内蔵している機器では特に問題になりません。しかしバッテリーを持たない機器(外付けSSD、バスパワーのUSBハブ、一部の周辺機器)では、予期しないシャットダウンやデータ損失の原因になることがあります。保存中のファイルが破損する危険性もあります。

また、多くのマルチポート充電器は各ポートの最大出力が非対称です。典型的な65Wの2ポート充電器の例:

ノートPCなど高電力が必要な機器を充電する場合は、どのポートがメイン(最大電力対応)かをパッケージや本体の表記で確認してから接続する必要があります。間違ったポートに挿すと、低電力モード(5V/3Aなど)でしか給電されず、ノートPCが「充電中」と認識していても実際にはバッテリー残量が減り続ける現象が起こります。

2022年、欧州連合（EU）は電子機器の共通充電ポートとしてUSB Type-Cを義務付ける法律を可決しました。この「共通充電器指令」は、電子廃棄物を削減し、消費者の利便性を高めることを目的としています。

国際的な標準化の動きは、消費者にとっては利便性向上と無駄なケーブルの削減につながりますが、技術革新の制限につながる可能性もあるという議論もあります。