なぜ半導体で計算(演算)できるのか：コンピューターのしくみ

半導体を用いるとなぜ計算できるのか

パソコンやスマートフォン、デジタルカメラなど、私たちの身の回りにあるあらゆるデジタル機器には「半導体」が使用されています。

例えば、Excelで複雑な数式を処理したり、スマホでリアルタイムに3Dゲームを動かしたりできるのは、内部にあるCPU（中央演算処理装置）が猛烈なスピードで「計算」を行っているからです。

しかし、単なる物質であるはずの半導体が、なぜ数学的な「計算」を行うことができるのでしょうか？ その鍵は、半導体が持つ独自の性質と「2進法」の組み合わせにあります。

半導体とは：計算の「スイッチ」になれる理由

まず、半導体の物理的な性質をおさらいしましょう。

この「中途半端な性質」こそが重要です。導体は常に電気を流し、絶縁体は常に止めますが、半導体は外部からの条件（電圧など）によって「電気を流したり、止めたり」を自在にコントロールできるのです。

この「流す・止める」という切り替え（スイッチング作用）ができるからこそ、半導体はデジタルデータを扱うための唯一無二の素材となります。

半導体とは：現代社会を支える素材

2進数：すべての情報を「0と1」に置き換える

半導体が「計算」を行うために、コンピューターの世界ではすべての情報を「0」と「1」だけで表現する「2進法」を採用しています。

• 文字データ：例えば「A」は「01000001」という8桁の数値として扱われます。
• 画像データ：色や明るさの情報も、すべて細かな0と1の羅列で構成されています。

このように、数値だけでなく文字も映像もすべてを「0と1」に置き換えることで、電気信号による処理が可能になります。

トランジスタによる計算：電流のON/OFFが知能に変わる

半導体を使って作られる最も重要な素子が、電流のスイッチ役を担う「トランジスタ」です。

トランジスタのスイッチング作用

トランジスタは、小さな電気信号によって大きな電流の通り道を「開けたり閉めたり」する電気の蛇口のようなものです。この動作によって、物理的な電気の流れをデジタルな数値に対応させます。

• ON（電流が流れる）＝「1」
• OFF（電流が流れない）＝「0」

回路の組み合わせが生む「論理演算」

ここからが「計算」の核心です。1つでは単なるスイッチに過ぎないトランジスタも、複数組み合わせることで「特定の条件のときだけ電気を通す」という高度な判断ができるようになります。

例えば、2つのトランジスタを直列につないだ回路（AND回路）を考えてみましょう。

この構成では、スイッチAとBの両方が「ON（1）」になったときだけ、電流（1）が出力されます。それ以外の組み合わせ（0・0、1・0、0・1）では出力は「0」になります。

「判断」が「計算」に変わる瞬間

実は、このAND回路の働きは「2進数の足し算における繰り上がり」の計算そのものです。

1＋1の計算をしたとき、2進数では「10」となり、2桁目に1が繰り上がります。「両方が1のときだけ、次の桁を1にする」というAND回路のルールは、まさに数学的な演算を物理的な回路で再現しているのです。

このような「論理ゲート」と呼ばれる回路を数億、数十億個と組み合わせることで、コンピューターは驚異的なスピードで複雑な情報処理を実現しています。

本記事では概要を解説しましたが、続く記事では「なぜこのスイッチの組み合わせだけで、複雑な足し算ができるのか」を、より詳細な図解とともに深掘りしていきます。