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シリーズ「コンピュータの部品のしくみ」 第2回

回路が「押す」とは？

人の指の代わりに

前回は、机の上に押しボタンを 2 つと、LED を 1 つ置いた。

電池の＋側につながった線を 1 の線、−側につながった線を 0 の線と呼んだ。 1 の線から 0 の線まで、道がひとつながりになると、LED が点く。

ボタンを一列に並べると、両方を押したときだけ点いた。「どちらも」、AND。 横に並べると、どちらか一方で点いた。「どちらか」、OR。 こういう決まりで 0 と 1 を返す部品を、ゲートと呼んだ。

そして、最後に 2 つの問いが残った。

1 つ目。押しボタンを 1 の線と 0 の線のあいだにどう並べても、「押したら、消える」は作れない。

2 つ目。押しているのは、いつも人の指だった。 ゲートの答えで、次のゲートのスイッチを押したい。 けれど、それを指でやるわけにはいかない。

スイッチを、電気で押すことはできないか。

電気で押すスイッチ

導線をぐるぐると巻いたものを、コイルという。 鉄の芯にコイルを巻いて電気を流すと、磁石になる。電磁石だ。 電気を止めると、ただの導線の巻きものに戻る。

このコイルの近くに、鉄の板を置いておく。 電気を流すと、板が引き寄せられる。 その板の動きで、スイッチの板を押すようにしておけばいい。

人の指の代わりに、電磁石が押すスイッチ。 これをリレーという。継電器ともいう。

ブレッドボードに挿した、黒い小さな箱の形のリレー。上の面に型番が刻まれている

机の上のリレー。この黒い箱の中に、コイルとスイッチが入っている

ブレッドボードに、押しボタンとリレーと LED をつないだ回路

押しボタンでリレーのコイルを動かし、リレーのスイッチで LED を点ける

机の上のリレーは、大人の親指の先くらいの、黒い箱だ。 コイルに電気を流すと、中で「カチッ」と小さな音がする。 スイッチの板が動いた音である。

このリレーは、9V の電池で動かす。 前回と同じく、家のコンセントの電気は使わない。

下の図は、押しボタン 1 つ、リレー 1 つ、LED 1 つの回路だ。 破線の枠で囲んだところが、リレーである。

＋電池−ボタン押すLED1 の線0 の線
ボタンを押してみてほしい

1 の線から 0 の線への道が、2 本ある。

右の道は、1 の線 → ボタン → コイル → 0 の線。 左の道は、1 の線 → リレーのスイッチ → LED → 0 の線。 リレーの中の、コイルに押されるスイッチの部分を、接点と呼ぶことにしよう。

ボタンを押してみてほしい。

まず、右の道がひとつながりになって、コイルに電気が流れる。 コイルの箱が、水色になる。磁石になったしるしだ。

少しして、接点の板が、棒ごとコイルのほうへ引き寄せられる。 接点の箱も、水色になる。 水色は、前回の押しボタンと同じく「押されている」の色だ。 板が下の接点に届いて、左の道もひとつながりになり、LED が点く。

本物のリレーでも、磁石になったコイルが鉄の板を引き寄せ、その動きで接点が切り替わる。 図では、それを「接点の板とコイルを結ぶ棒」で描いた。

ここで、指がどこに触れているかを見てほしい。 指が押しているのは、右の道のボタンだけだ。 左の道の接点を押しているのは、コイル。つまり、電気である。

出力で、次を押す

前回の回路では、LED は「答え」を人に見せるための部品だった。 LED が点いていれば 1、消えていれば 0。

ここで、LED の代わりに、リレーのコイルを置いたらどうなるだろう。

答えが 1 なら、コイルに電気が流れる。 コイルは、次のリレーの接点を押す。 答えが、そのまま次のスイッチを押す。

たとえば、前回の一列に並べたボタン 2 つの先に、LED の代わりにコイルを置く。 A と B の両方を押したときだけ、コイルに電気が流れて、次のリレーの接点が押される。 AND の答えで、次のスイッチを押したことになる。

押された接点の先に、さらに別のリレーのコイルを置けば、その答えで、また次を押せる。 人の指が触れるのは、いちばん最初のボタンだけでいい。

押しボタンを押していないとき（左）と押しているとき（右）のリレーの回路。右では赤い LED が点いている

左は押していない、右は押している。押すと赤い LED が点く。指はボタンにしか触れていない

押して、確かめる

リレーを 2 つ、つないでみよう。

ボタンで、リレー 1 のコイルを押す。 リレー 1 の接点の先に、リレー 2 のコイルを置く。 リレー 2 の接点の先に、LED を置く。

リレー 2 段 シミュレータ

ボタンを押して（もう一度押すと離して）、どの順に切り替わっていくかを見てください

＋電池−ボタン押すLED1 の線0 の線

LED は消えている。ボタンを押していないので、どのコイルにも電気が流れていない。

ボタンLED
00
11

ボタンは 押している = 1、押していない = 0。LED は 点いている = 1、消えている = 0

ボタンを押して、どの順番で変わっていくかを見てほしい。

まず、リレー 1 のコイルが水色になる。 次に、リレー 1 の接点が押されてつながり、リレー 2 のコイルに電気が流れる。 最後に、リレー 2 の接点が押されてつながり、LED が点く。

右上から左下へ、階段を下りるように、押す役目が渡されていく。 指が触れているのは、右上のボタンだけだ。 離したときも、同じ順番で、1 つずつ戻っていく。

スイッチを電気で押せるようになると、回路の出力が、そのまま次のスイッチを押せる。 部品を、どこまでもつないでいける。

ところで、LED が点くまでには、少し間があった。 リレーを 1 つ通るごとに、少しずつ遅れて切り替わっていく。 図では見やすいように、ゆっくり動かしている。本物のリレーは、もっとずっと速い。 それでも、遅れがあることに変わりはない。 このことは、もう少し先の回で、もう一度考える。

押されると、切れる

ここまでの接点は、押されると、つながった。 前回の押しボタンと同じだ。

リレーには、もう 1 種類、接点がある。 押されていないあいだは、つながっている。 押されると、離れて、切れる。

この接点の先に LED を置いてみよう。

押されると切れる接点 シミュレータ

ボタンを押して（もう一度押すと離して）、LED がどうなるかを見てください

＋電池−ボタン押すLED1 の線0 の線

LED が点いている。押されると切れる接点は、押されていないあいだ、つながっている。

ボタンLED
01
10

ボタンは 押している = 1、押していない = 0。LED は 点いている = 1、消えている = 0

ボタンを押していないとき、LED は点いている。 接点は押されていないので、つながったままだからだ。

ボタンを押すと、コイルが磁石になり、接点の板が棒ごと引き寄せられて、下の接点から離れる。 道が切れて、LED が消える。

押しボタンを押していないのに、緑の LED が点いているリレーの回路

緑の LED は、押されると切れる接点の先につないである。押していないのに、点いている

ボタンLED
01
10

入力が 0 なら 1、1 なら 0。 入力を、反対にして返す。 この決まりを NOT（ノット）という。 英語の not、「〜でない」である。

前回、押しボタンをどう並べても作れなかった「押したら、消える」。 それが、これだ。

押しボタンは、押すとつながるだけだった。 リレーは、押されると切れる接点を持てる。 しかも、その接点を押すのは電気なので、NOT の答えで、また次のリレーを押すこともできる。

机の上のリレーの中には、押されるとつながる接点と、押されると切れる接点が、両方入っている。 同じコイルが、2 つを同時に押す。 どちらを使うかは、どの足に線をつなぐかで決まる。

並べると、計算機になる

これで、AND・OR・NOT の 3 つがそろった。

前回、シャノンの論文を紹介した。 スイッチをつないだ回路のふるまいが、論理の計算と同じ形の決まりで書ける、と示した論文だ。 題名は「リレーとスイッチの回路の記号による分析」。 シャノンが考えていたのは、まさに、このリレーをつないだ回路だった。

同じころ、アメリカのベル研究所にいたジョージ・スティビッツは、 1930 年代の後半に、使わなくなったリレーとブリキ缶の切れ端を自宅の台所のテーブルに並べて、0 と 1 で足し算をする装置を組んだ。 机の上ではなく、台所のテーブルの上だった。

ベル研究所は、1940 年に、450 個のリレーを使った計算機を動かした。 8 けたの数のかけ算や割り算ができた。

その後も、リレーを何千個も並べた計算機が、いくつも作られた。 『誤り訂正のしくみ』を読んだ人は、第4回のハミングの話を思い出してほしい。1947 年、ハミングが週末のあいだ動かしておいた、ベル研究所の継電器式の計算機。あの継電器が、このリレーである。

日本でも、富士通が 1950 年代にリレー式の計算機を作った。 1959 年に作られた FACOM 128B は、約 5000 個のリレーでできている。 この計算機は、静岡県にある富士通の沼津の事業所で、いまも動かせる状態で残されている。

カチッ、の代償

ただし、リレーには、困ったところがいくつもある。

まず、鳴る。 接点の板が動くたびに、カチッと音がする。 何千個も並べた計算機は、動いているあいだ、ずっとカチカチと鳴っていた。

次に、遅い。 板が動き終わるまでには、時間がかかる。 机の上のリレーの説明書には、コイルに電気を流してから接点が切り替わるまで、6 ミリ秒以内、と書いてある。 6 ミリ秒は、1 秒の 1000 分の 6。人の目には一瞬だ。 けれど、計算機の中では、これが何千回も積み重なる。

そして、すり減る。 動く部分があるので、使ううちに傷んでいく。 机の上のリレーの説明書によると、切り替えられる回数は、およそ 2000 万回。 接点に電気を流しながら切り替えると、20 万回だ。

動く部分には、ほかのものが挟まることもある。 1940 年代、ハーバード大学にあったリレー式の計算機 Mark II では、リレーの接点のあいだに、蛾が 1 匹挟まっているのが見つかった。 技術者たちは、その蛾を作業の記録帳にテープで貼り、「本物の虫（bug）が見つかった、最初の例」と書き添えた。 機械の小さな不具合を bug（虫）と呼ぶのは、それよりずっと前からのことだ。 その「虫」が、本当に虫だった、というわけである。

それに、大きい。 机の上のリレーは親指の先くらいだが、これを何千個も並べると、部屋がいっぱいになる。

最後に、もう 1 つ。 接点を押し続けるには、コイルに電気を流し続けなければならない。 押しボタンは、押された形のまま止まっているだけなら、電気を使わなかった。 リレーは、押しているあいだ、ずっと電気を使う。

前回の表に、2 行目を足そう。

スイッチ押すもの動く部分切り替わるのにかかる時間待っているあいだの電気
押しボタン人の指ある？使わない
リレー電気（電磁石）ある（カチッと鳴る）数ミリ秒押しているあいだ、コイルに流しっぱなし

電気で押せるようになった。 答えで、次を押せるようになった。 けれど、鳴って、遅くて、すり減って、大きい。

困ったところの多くは、板が動くことから来ている。 では、こう考えてみたらどうだろう。

動く部分のない、電気で押せるスイッチはないか。

次回は、机の上のリレーを、もっと小さな部品に置き換える。

参考文献

シリーズ「コンピュータの部品のしくみ」