情報デバイス技術（前期2単位）

教授 須崎有康

１．授業のねらい

セキュリティ問題はコンピュータで発生するため、ハードウェアを中心とする情報デバイス要素の動作原理、特性、インタフェース、内包する脆弱性を学ぶことは、セキュリティの学習にとって重要である。情報デバイスを構成する要素として、論理素子、コンピュータ、マイクロプロセッサ、メモリ、そしてそれらが一体となったPC、組込デバイスについて論ずる。情報デバイスの特徴を理解するために情報デバイス演習で体験する。

２．到達目標

ハードウェア・半導体の発達の過程を理解し、さまざまなコンピュータアーキテクチャの特徴を識別できるようになる。コンピュータの性能を決める要素や高性能化の手法を理解することでプログラミングの先の動作がイメージできるようになる。この過程でデバイスが内包するセキュリティ脆弱性を認識できるようになる。演習によりハードウェアの特徴を体験すことで理解を深める。

３．授業計画と開講形態

開講形態は別途通知。

第1回 論理回路　算術論理演算器、加算器
第2回 順序回路　フリップフロップ、スイッチング素子、LSI
第3回 論理素子　半導体開発の歴史、Mooreの法則
第4回 コンピュータ1　コンピュータ開発の歴史、階差計算機、アナログ計算機
第5回 コンピュータ2　ストアドプログラム方式、メインフレーム、マイクロプログラム
第6回 マイクロプロセッサ1　4－64ビットCPUの発達
第7回 マイクロプロセッサ2　命令セットアーキテクチャ
第8回 メモリ・ストレージ1　SRAM、DRAM、ランダムアクセス
第9回 メモリ・ストレージ2　不揮発メモリ、SSD、フラッシュ
第10回 高性能プロセッサ1　命令パイプライン、遅延分岐、分岐予測
第11回 高性能プロセッサ2　SIMD並列、スレッド並列
第12回 PC・組込み1　BIOS, プロセッサセキュリティ機構、TPM
第13回 （オンサイト）仮想マシンを使った演習1（予定：CPU内のパイプライン、キャッシュ、分岐予測の確認）
第14回 （オンサイト）仮想マシンを使った演習2 （予定：TPM: Trusted Platform Module機能の確認）
第15回 PC・組込み2 ネットワーク、仮想化、TEE、機密コンピューティング

４．教科書

特に指定しない。

５．参考書

• サラ・L・ハリス、デイビッド・ハリス(著),、ディジタル回路設計とコンピュータアーキテクチャ［RISC-V版］、2022年
• David A. Patterson and John L. Hennessy(著),, Computer Organization and Design RISC-V Edition、 2020年
• Takenobu Tani(著),, プログラマーのためのCPU入門 CPUは如何にしてソフトウェアを高速に実行するか、ラムダノート、2023年
• John L. Hennessy, David A. Patterson, Christos Kozyrakis (著), Computer Architecture: A Quantitative Approach, (出版予定2025/5)

６．関連科目

次の科目を履修済み、または同時に履修することが望ましい。
情報システム構成論、オペレーティングシステム、プログラミング、実践的IoTセキュリティ、ネットワーク設計とセキュリティ運用

７．成績評価の方法と基準

毎回の小テストを中心(80%程度)にレポート、実習の成果(20%程度)から総合的に評価する。

８．その他

小テストにはGoogle Classroomを用いる。このためPCを毎回持参すること。
本授業の後半で行う２回の演習は大学で行うため、来校すること。
演習ではWindows PCを使う。受講生は必要なソフトウェアをインストールしたWindows PCを準備すること。事務局で借りることができる。