コンピュータ構成とシステム構成

1. プロセッサの高速化とCPU性能の測り方

パイプラインやスーパースカラで何が速くなるのかを押さえ、CPI・MIPS・命令ミックスで性能を数字にできるようにします。

命令の実行は、命令の取出し・解読・実行・書戻しといった段階に分けられます。パイプラインは、この段階を流れ作業にして、前の命令が実行段にいる間に次の命令の取出しを始める仕組みです。k段のパイプラインで n 命令を流すと、最初の命令が出てくるまでに k サイクル、あとは1サイクルごとに1命令が完成するので、全体では n + k − 1 サイクルで済みます。逐次実行の n × k サイクルと比べると、n が大きいほど k 倍に近づきます。1命令あたりの処理時間そのものは短くなっていない点が大事で、速くなっているのはスループットです。

パイプラインには乱れの原因（ハザード）が3種類あります。構造ハザードは同じ資源を同時に使おうとして起きるもの、データハザードは直前の命令の結果を待たなければならないときに起きるもの、制御ハザードは分岐命令によって次に取り出すべき命令が確定しないときに起きるものです。制御ハザードの影響がいちばん大きいので、分岐先を予測して先に流し込む分岐予測、予測に基づいて実行してしまう投機実行、分岐の直後の命令を必ず実行する遅延分岐といった対策が取られます。予測が外れるとパイプラインを捨てて詰め直す（フラッシュする）ぶんの罰があります。

1サイクルに複数の命令を発行するのがスーパースカラで、演算器を複数持ち、依存関係のない命令を同時に実行します。パイプラインの段数をさらに細かく分けてクロックを上げるのがスーパーパイプライン、依存のない複数の命令をコンパイラがあらかじめ1つの長い命令にまとめておくのが VLIW です。VLIW は並列化の判断をコンパイル時に済ませるのでハードウェアが簡単になりますが、実行時の状況に応じた調整ができません。近年はクロック周波数を上げると消費電力と発熱が急増するため、周波数ではなくコア数を増やすマルチコア化が主流になっています。

性能を数字にするときは CPI と MIPS を使います。CPI は1命令あたりの平均クロックサイクル数で、命令の種類ごとの出現比率とサイクル数を掛けて足した命令ミックスから求めます。MIPS は1秒間に実行できる命令数を百万単位で表したもので、クロック周波数（MHz）を CPI で割ると得られます。ただし MIPS は命令の中身を問わないので、命令セットの異なるプロセッサ間の比較には使えません。実際の性能比較には、実アプリケーションに近い処理を測る SPEC などのベンチマークを使います。マルチコアで速くなる度合いはアムダールの法則で見積もれ、並列化できない部分が全体の足を引っ張ります。

パイプラインの所要サイクル（5段・命令I1〜I4）   時刻 →  1   2   3   4   5   6   7   8  I1     IF  ID  EX  MA  WB  I2         IF  ID  EX  MA  WB  I3             IF  ID  EX  MA  WB  I4                 IF  ID  EX  MA  WB   n 命令 k 段 → n + k − 1 サイクル  逐次実行なら n × k サイクル   平均CPI = Σ(命令の出現比率 × その命令のサイクル数)  MIPS   = クロック周波数[MHz] ÷ 平均CPI

用語

パイプライン

命令の実行を複数の段階に分け、異なる命令の別々の段階を同時に進める方式。k段で n 命令なら n + k − 1 サイクルで完了する。1命令あたりの遅延は縮まらず、単位時間あたりの処理量が増える。

ハザード

パイプラインの流れが乱れる要因。資源の競合による構造ハザード、直前の命令の結果を待つデータハザード、分岐で次の命令が定まらない制御ハザードの3種類がある。空きサイクル（ストール）が挿入され性能が落ちる。

分岐予測

分岐命令の結果が確定する前に、分岐するかどうかを予測して次の命令を先に取り出す仕組み。過去の分岐履歴を使う動的予測が一般的。予測が外れると先読みした命令を破棄するペナルティが発生する。

スーパースカラ

複数の演算器と発行口を持ち、依存関係のない命令を1サイクルに複数実行する方式。実行時にハードウェアが依存を判定するので回路は複雑になるが、既存の命令列をそのまま高速化できる。

VLIW

同時に実行できる複数の命令を、コンパイラが1つの長い命令語にまとめておく方式。並列化の判断をコンパイル時に済ませるためハードウェアが単純になるが、実行時の状況に応じた最適化はできない。

CPI

1命令の実行に要する平均クロックサイクル数。命令種別ごとの出現比率とサイクル数の積の総和で求める。小さいほど効率がよい。クロック周期を掛けると平均命令実行時間になる。

MIPS

1秒間に実行できる命令数を百万単位で表した指標。クロック周波数をメガヘルツ単位で表した値を CPI で割ると得られる。命令1つあたりの仕事量を考慮しないため、命令セットが異なる機種の比較には使えない。

アムダールの法則

処理のうち並列化できる割合を p、その部分の速度向上を s とすると、全体の速度向上は 1 ÷ ((1 − p) + p ÷ s) にとどまるという法則。逐次部分が残る限り、コア数を増やしても頭打ちになる。

例題

出典・根拠：IPA「応用情報技術者試験（レベル3）」シラバス Ver.7.2 大分類2：コンピュータシステム

2. 記憶階層とキャッシュの効かせ方

速い記憶ほど小さく高価という制約の中で、キャッシュのヒット率と書込み方式がシステム全体の速さをどう決めるかを押さえます。

記憶装置は、速いものほど容量あたりの単価が高く小さくなります。レジスタ、キャッシュ（L1・L2・L3）、主記憶、SSD やハードディスクという順に、速度は下がり容量と安さは上がります。これを積み重ねて、よく使うものを上の階層に置くことで、平均的には上の階層の速さで、容量は下の階層の大きさで使えるようにするのが記憶階層の考え方です。これが成り立つ根拠が参照の局所性で、直前に使ったものをまた使う時間的局所性と、使った場所の近くを使う空間的局所性の2つがあります。キャッシュがブロック単位でまとめて読み込むのは、空間的局所性を当て込んでいるからです。

キャッシュの効果は実効アクセス時間で測ります。ヒット率を h、キャッシュのアクセス時間を tc、主記憶のアクセス時間を tm とすると、実効アクセス時間は h × tc + (1 − h) × tm です。注意したいのは、ヒット率が少し下がるだけで実効アクセス時間が大きく伸びること。tc が 5ns、tm が 80ns なら、ヒット率 96 パーセントで 8ns ですが、90 パーセントに落ちると 12.5ns になります。主記憶とキャッシュの速度差が大きいほど、ヒット率の影響が効いてきます。多階層キャッシュでは、L1 をミスしたときだけ L2 を見る、という入れ子の形で計算します。

主記憶のどのブロックをキャッシュのどこに置くかを決めるのが写像方式です。ダイレクトマップは置き場所が1か所に決まるので回路が単純で速いかわりに、同じ場所に写るブロックを交互に使うと毎回追い出し合いになります。フルアソシアティブはどこにでも置けるので衝突しませんが、全エントリを同時に照合する必要があり高価です。実際には両者の折衷であるセットアソシアティブが使われ、4ウェイなら1つのセットに4個まで置けます。追い出す対象の選び方には LRU（最も長く使われていないもの）などが使われます。

書込みの扱いには2方式あります。ライトスルーは書込みのたびにキャッシュと主記憶の両方を更新する方式で、内容が常に一致しているので信頼性が高く、複数のプロセッサやDMAから見た一貫性も保ちやすい反面、書込みのたびに遅い主記憶へのアクセスが発生します。ライトバックはキャッシュだけを更新し、そのブロックが追い出されるときにまとめて主記憶へ書き戻す方式で、同じ場所への繰り返し書込みが速くなりますが、追い出し時に遅延が生じ、電源断で内容を失う危険もあります。マルチコアでは各コアのキャッシュ内容が食い違わないよう、スヌープなどのキャッシュコヒーレンシ制御が必要になります。

実効アクセス時間の計算   1階層のとき    EAT = h × tc + (1 − h) × tm   2階層のとき（L1をミスしたときだけL2を見る）    EAT = h1 × t1        + (1 − h1) × ( h2 × t2 + (1 − h2) × tm )   例: h1 = 0.95, t1 = 2ns      h2 = 0.8, t2 = 10ns, tm = 110ns      EAT = 0.95 × 2 + 0.05 × (0.8 × 10 + 0.2 × 110)          = 1.9 + 0.05 × 30 = 3.4ns

用語

参照の局所性

プログラムのメモリ参照が特定の範囲に集中する性質。同じ番地を短時間に繰り返し使う時間的局所性と、近い番地を続けて使う空間的局所性がある。キャッシュや仮想記憶が有効に働く前提となる。

実効アクセス時間

キャッシュを含めた記憶へのアクセスにかかる平均時間。ヒット率をh、キャッシュの時間をtc、主記憶の時間をtmとすると h × tc + (1 − h) × tm で求める。ヒット率のわずかな低下が大きく効く。

ダイレクトマップ

主記憶のブロックを置けるキャッシュの位置が1か所に定まる写像方式。照合回路が単純で高速だが、同じ位置に写るブロックを交互に参照すると衝突が続き、ヒット率が大きく落ちることがある。

セットアソシアティブ

キャッシュを複数のセットに分け、1セットの中の任意のウェイに置ける写像方式。4ウェイなら同じセットに4ブロックまで共存できる。ダイレクトマップとフルアソシアティブの中間で、実装の主流である。

ライトスルー

書込み時にキャッシュと主記憶の両方を同時に更新する方式。両者の内容が常に一致するため一貫性を保ちやすいが、書込みのたびに主記憶へのアクセスが発生し書込み性能は上がりにくい。

ライトバック

書込みをキャッシュだけに行い、そのブロックが追い出されるときに主記憶へ書き戻す方式。書込みの多い処理で高速だが、主記憶と内容が一時的に食い違うため、更新の有無を示すダーティビットの管理が必要になる。

キャッシュコヒーレンシ

複数のプロセッサがそれぞれキャッシュを持つとき、同じ番地の内容が食い違わないように保つ仕組み。ほかのコアのバス操作を監視して自分のキャッシュを無効化するスヌープ方式が広く使われる。

メモリインタリーブ

主記憶を複数のバンクに分け、連続する番地を異なるバンクに割り当てて並行にアクセスする技法。1つのバンクが応答している間に次のバンクへ要求を出せるため、連続領域の読み書きが高速になる。

例題

出典・根拠：IPA「応用情報技術者試験（レベル3）」シラバス Ver.7.2 大分類2：コンピュータシステム

3. 割込みと入出力制御

CPUが待たされないための仕組みとして、割込みの種類と処理順序、そしてポーリング・DMA・チャネルの使い分けを整理します。

割込みは、実行中の処理を中断して別の処理へ制御を移す仕組みです。発生源によって内部割込みと外部割込みに分けます。内部割込みは実行中の命令そのものが原因で起きるもので、0除算やけたあふれなどのプログラム割込み、ページフォールト、特権命令違反、そしてシステムコールを実現するスーパバイザ呼出し（SVC割込み）が該当します。外部割込みは命令の実行とは無関係に起きるもので、入出力の完了通知、タイマ（インターバルタイマ）による時間切れ、機械チェック割込み、電源異常などです。どちらに分類されるかは頻出なので、原因が実行中の命令にあるかどうかで切り分けてください。

割込みが起きると、まず現在のプログラムカウンタとプログラム状態語（レジスタの内容を含む）を退避し、割込みの原因に応じた割込み処理ルーチンの先頭アドレスへ分岐します。処理が終わったら退避した内容を復元して元の処理を再開します。この退避と復元があるからこそ、中断された処理は割込みがなかったかのように続けられます。処理中にさらに割込みが起きる多重割込みでは、優先度の高いものだけを受け付け、低いものは割込み禁止（マスク）にして待たせます。電源異常や機械チェックは最優先で、入出力完了はそれより低い、という順序になります。

入出力の方式は、CPUをどれだけ使うかで並びます。プログラム制御方式（ポーリング）は、CPU が入出力装置の状態レジスタを繰り返し読んで完了を確認する方式で、実装は単純ですが待っている間ずっと CPU を消費します。割込み駆動方式は、装置側が完了時に割込みで知らせるので、待っている間 CPU は別の仕事ができます。DMA 方式は、CPU を介さずに DMA コントローラが主記憶と装置の間で直接データを転送し、転送完了時にだけ割込みで知らせます。大量のデータをまとめて動かすディスクやネットワークで使われます。チャネル制御方式は、入出力専用のプロセッサ（チャネル）が入出力プログラムを解釈して実行する方式で、大型機で使われます。

DMA が主記憶をアクセスしている間、CPU も主記憶を使いたい場合があります。バスを1サイクルだけ借りて少しずつ転送するのがサイクルスチール、転送が終わるまでバスを占有するのがバースト転送です。サイクルスチールは CPU の処理をわずかに遅らせるだけで済み、バースト転送は転送効率が最も高いかわりに CPU が待たされます。どちらを選ぶかは、応答性を優先するか転送量を優先するかの判断になります。なお、ポーリングは常に劣った方式というわけではなく、割込みの回数が極端に多い高速なネットワーク処理では、割込み処理そのもののオーバヘッドを避けるために意図的にポーリングを使うこともあります。

割込みが起きたときの流れ   1. 実行中の命令を区切りのよいところまで終える  2. プログラムカウンタとプログラム状態語を退避する  3. 割込み要因を判定する  4. 要因に対応する割込み処理ルーチンへ分岐する  5. 処理を行う（必要なら多重割込みを許可する）  6. 退避した内容を復元する  7. 中断した位置から実行を再開する   DMA転送に要する時間の見積り    転送回数 = 総バイト数 ÷ 1回あたりの転送バイト数    所要時間 = 転送回数 × 1回あたりのバス周期

用語

内部割込み

実行中の命令そのものが原因で発生する割込み。0除算やけたあふれなどのプログラム割込み、ページフォールト、特権命令違反、スーパバイザ呼出しが含まれる。同じ命令を再実行すれば再現しうる点が外部割込みと異なる。

外部割込み

実行中の命令とは無関係な要因で発生する割込み。入出力の完了、インターバルタイマによる時間切れ、機械チェック、電源異常などが該当する。発生の時期をプログラム側から予測できない。

多重割込み

割込み処理の実行中に、さらに別の割込みを受け付けること。優先度の高い割込みだけを通し、低いものは割込み禁止で待たせる。電源異常や機械チェックが最も優先され、入出力完了はそれより低い。

ポーリング

CPUが入出力装置の状態を繰り返し読んで、準備完了や転送完了を確認する方式。実装が単純で応答の遅延が小さい反面、待っている間もCPUを消費する。割込み回数が極端に多い場面では逆に有利になる。

DMA

CPUを介さずに、専用のコントローラが主記憶と入出力装置の間で直接データを転送する方式。CPUは転送開始を指示し、完了の割込みを受け取るだけでよいので、大量データの転送でCPUの負担を大きく減らせる。

サイクルスチール

DMA転送で、CPUが主記憶を使っていない機会をとらえて1サイクルずつバスを借りる方式。CPUの処理はわずかに遅れるだけで止まらない。転送が終わるまでバスを占有するバースト転送と対になる考え方である。

チャネル制御方式

入出力専用のプロセッサであるチャネルが、主記憶上の入出力プログラムを解釈して装置を制御する方式。CPUは入出力の起動だけを行う。1つの装置を専有するセレクタチャネルと、複数を切り替えるマルチプレクサチャネルがある。

例題

出典・根拠：IPA「応用情報技術者試験（レベル3）」シラバス Ver.7.2 大分類2：コンピュータシステム

4. システム構成と仮想化の選び方

冗長化の型、スケールアップとスケールアウトの分かれ目、仮想マシンとコンテナの違いを、コストと可用性の判断として整理します。

複数の装置を組み合わせる型にはそれぞれ狙いがあります。デュアルシステムは同じ処理を2系統で行い、結果を突き合わせて一致を確認する構成で、誤りの検出まで含めた高い信頼性が要る場面に使います。デュプレックスシステムは主系が本番処理を行い、従系が待機する構成で、待機の仕方によってホットスタンバイ（電源を入れ同じ状態を保って即座に切り替わる）、ウォームスタンバイ（起動はしているが切替に少し時間がかかる）、コールドスタンバイ（停止しており起動から始める）に分かれます。待機中の従系で別の処理をさせる運用もあり、これをバックアップサイトの考え方と組み合わせるとコストを抑えられます。

クラスタは複数のサーバを1つのシステムとして見せる構成で、目的が2つに分かれます。可用性クラスタ（HAクラスタ）は、あるノードが落ちたら別のノードが処理を引き継ぐことで停止時間を減らします。負荷分散クラスタは、要求を複数ノードに振り分けて処理量を増やします。振り分けはロードバランサが行い、順番に配るラウンドロビン、接続数の少ないノードへ配る最小接続数、応答時間を見て配る方式などがあります。セッション情報をサーバ側に持つ場合は、同じ利用者を同じノードへ送るスティッキーセッションが必要になりますが、これをやると特定ノードに偏りやすく、障害時にセッションが失われます。セッションを外部の共有ストアに出しておくと、この制約から解放されます。

処理能力を増やす方法には2通りあります。スケールアップは1台の性能を上げること、スケールアウトは台数を増やすことです。スケールアップは構成が単純でアプリケーションの変更が要らず、書込みが集中するデータベースのように分割しにくい処理に向きますが、いずれ1台の上限に当たり、その1台が単一障害点として残ります。スケールアウトは理論上は台数だけ伸ばせて、1台の故障が全体を止めないという可用性の利点もありますが、状態を各ノードに持たせない設計（ステートレス化）やデータの分割が前提になります。判断の要は「処理を分割できるか」と「単一障害点を許容できるか」の2点です。

仮想化には層の違いがあります。ハイパーバイザ型（ベアメタル型）はハードウェア上で直接動く仮想化基盤の上に複数のゲストOSを載せる方式で、性能と分離度に優れます。ホスト型はホストOSの上のアプリケーションとして仮想化ソフトを動かす方式で、導入は容易ですが層が1つ多いぶん遅くなります。コンテナはそもそもOSを複製せず、ホストのカーネルを共有したまま名前空間と資源制限でアプリケーションの実行環境だけを分離する方式です。OSの起動が不要なので起動が速く、イメージも小さく、同じホストに多数を詰め込めますが、カーネルを共有するため分離の強さは仮想マシンに劣り、ホストと異なる種類のOSは動かせません。稼働中の仮想マシンを止めずに別の物理ホストへ移すライブマイグレーションは、保守時の無停止化に使われます。

スケールアップとスケールアウトの判断   if (処理を複数ノードに分割できない)    /* 書込みが集中する単一のDBなど */    スケールアップを選ぶ  elseif (単一障害点を残せない)    スケールアウトを選ぶ  elseif (負荷の増減が大きく読めない)    スケールアウトを選ぶ  /* 台数で追随できる */  else    運用の手間と費用で比較する  endif   /* スケールアウトの前提 */  ・セッションなどの状態をノードに持たせない  ・データの分割方針を先に決めておく  ・ロードバランサ自身も冗長化する

用語

デュアルシステム

同じ処理を2系統で並行して実行し、結果を照合して一致を確認する構成。誤りの検出能力が高く、片方が故障しても処理を継続できる。装置も処理も二重になるためコストは高い。

デュプレックスシステム

主系が本番処理を行い、従系が待機する構成。待機の仕方でホットスタンバイ、ウォームスタンバイ、コールドスタンバイに分かれ、切替時間とコストのトレードオフになる。従系で別の処理を行う運用もある。

ロードバランサ

複数のサーバへ要求を振り分ける装置またはソフトウェア。ラウンドロビン、最小接続数、応答時間などの方式で分配し、応答しないサーバを切り離すヘルスチェックも行う。負荷分散と可用性の両方に寄与する。

スケールアップ

1台の機器の処理能力を高めて全体の性能を上げる方法。構成が単純でアプリケーションの変更が不要だが、1台の上限で頭打ちになり、その1台が単一障害点として残る。分割しにくい処理に向く。

スケールアウト

機器の台数を増やして全体の処理能力を上げる方法。1台の故障が全体を止めにくく、必要に応じて増減できる。ノードに状態を持たせない設計やデータの分割が前提となり、整合性の管理が難しくなる。

ハイパーバイザ型

ハードウェア上で直接動作する仮想化基盤の上に、複数のゲストOSを動かす方式。ホストOSを経由しないため性能の損失が小さく、ゲスト間の分離も強い。サーバ仮想化の主流である。

コンテナ

ホストOSのカーネルを共有したまま、名前空間と資源制限でアプリケーションの実行環境だけを分離する方式。OSの起動が不要で軽量かつ高速だが、カーネルを共有するため分離度は仮想マシンに劣る。

ライブマイグレーション

稼働中の仮想マシンを停止させずに別の物理ホストへ移動させる機能。メモリの内容を転送しながら差分を追いかけ、最後にごく短時間だけ切り替える。物理サーバの保守を無停止で行える。

例題

出典・根拠：IPA「応用情報技術者試験（レベル3）」シラバス Ver.7.2 大分類2：コンピュータシステム

5. 信頼性設計・稼働率と性能評価

壊れることを前提にした設計の型を区別し、稼働率とRAIDを計算で押さえ、性能をどの指標で測るかまで通します。

信頼性の設計には、大きく2つの方向があります。フォールトアボイダンスは、部品の品質を上げ、試験を厚くして、そもそも故障を起こさせない方向。フォールトトレランスは、故障は起きるものとして冗長化しておき、起きても機能を保つ方向です。後者の中の型を区別できるようにしておきます。フェールセーフは、故障したときに危険のない側へ倒す設計で、信号機が故障したら赤で止める、といったものです。フェールソフトは、機能を落としてでも運転を続ける設計で、縮退運転（フォールバック）がこれにあたります。フールプルーフは、利用者が誤った操作をしてもシステムが壊れないようにする設計です。名前と例が入れ替えられた選択肢が並ぶので、対象が「故障」なのか「誤操作」なのか、結果が「止める」のか「続ける」のかで切り分けてください。

稼働率の計算は、直列と並列を見分けるところから始まります。どれか1つでも止まると全体が止まる関係が直列で、稼働率は各稼働率の積になります。どれか1つでも動いていれば全体が動く関係が並列で、全部が同時に止まる確率を1から引いた 1 − (1 − a)(1 − b) になります。組み合わさった構成は、内側の並列部分をひとつの稼働率にまとめてから、直列の積を取ります。装置1台の稼働率は MTBF ÷ (MTBF + MTTR) で求められます。MTBF は平均故障間隔（動いている時間の平均）、MTTR は平均修復時間で、MTBF を伸ばすより MTTR を縮めるほうが安く効くことも多い、というのが実務での判断どころです。

ディスクの冗長化は RAID で行います。RAID0（ストライピング）は複数台に分散して書くだけなので速いが冗長性はなく、1台の故障で全データを失います。RAID1（ミラーリング）は同じ内容を2台に書くので、実効容量は半分ですが1台の故障に耐えます。RAID5 はパリティを分散して持ち、n 台なら実効容量は n − 1 台ぶんで、1台までの故障に耐えます。RAID6 はパリティを2組持つので実効容量は n − 2 台ぶん、2台の同時故障に耐えます。RAID5 は小さな書込みのたびに旧データと旧パリティの読出しと書込みが必要（書込みペナルティ）なので、書込みが多い用途では RAID1 や RAID10 のほうが速いことがあります。容量効率・書込み性能・耐えられる故障台数の3つで選びます。

性能の測り方は、見たいものによって指標が変わります。スループットは単位時間あたりに処理できる件数で、システム全体の処理量を表します。レスポンスタイムは要求を出してから最初の応答が返るまで、ターンアラウンドタイムは処理がすべて終わるまでの時間です。オンライン処理ではレスポンスタイム、バッチ処理ではターンアラウンドタイムが重視されます。平均値だけでなく、上位のばらつき（たとえば95パーセンタイル）を見ないと、少数の極端に遅い応答を見落とします。機種の比較にはベンチマークを使い、CPU の演算性能なら SPEC、トランザクション処理性能なら TPC 系の指標が代表的です。実際の負荷特性が自社のものと違えば結果もずれるため、最終的には実データを流すテストが要ります。

稼働率の合成   直列（1つでも止まると全体が止まる）    A = a1 × a2 × … × an   並列（1つでも動けば全体が動く）    A = 1 − (1 − a1)(1 − a2) … (1 − an)   1台の稼働率    a = MTBF ÷ (MTBF + MTTR)   計算例: 稼働率 0.85 の装置2台を並列にし、          その後段に稼働率 0.9 の装置を直列で置く    並列部 = 1 − 0.15 × 0.15 = 0.9775    全体   = 0.9775 × 0.9 = 0.87975

用語

フォールトトレランス

構成要素の故障を前提に冗長性を持たせ、故障が起きても全体としての機能を維持する考え方。故障そのものを起こさせないようにするフォールトアボイダンスと対になる。冗長化のぶんコストが増える。

フェールセーフ

故障が起きたときに、安全な側の状態へ移行させる設計。信号機が故障時に赤を示す、ガス機器が異常時に弁を閉じるなどが例。機能の継続よりも安全の確保を優先する点が特徴である。

フェールソフト

故障が起きたときに、性能や機能を落としてでも運転を継続する設計。障害のある部分を切り離して残りで動かす縮退運転（フォールバック）が典型例。止めないことを優先する点でフェールセーフと異なる。

フールプルーフ

利用者の誤った操作があってもシステムが異常な状態にならないようにする設計。ふたを閉めないと回らない洗濯機、確認画面、入力値の検査などが該当する。対象が故障ではなく人の操作である点が区別の鍵になる。

MTBF

平均故障間隔。修理して使う装置が、故障から次の故障までに正常動作する時間の平均を表す。稼働率は MTBF ÷ (MTBF + MTTR) で求まる。値が大きいほど故障しにくい。

MTTR

平均修復時間。故障してから復旧するまでに要する時間の平均。保守体制や予備機の配置で短縮できる。MTBF を延ばすより MTTR を縮めるほうが、同じ稼働率の改善を安く実現できることが多い。

RAID5

データとパリティを複数台に分散して記録する方式。n 台構成なら実効容量は n − 1 台ぶんで、1台までの故障に耐える。小さな書込みのたびに旧データと旧パリティの読み書きが必要になる書込みペナルティがある。

スループット

単位時間あたりに処理できる仕事の量。件数や毎秒トランザクション数で表す。1件あたりの速さを表すレスポンスタイムとは別の指標で、多重度を上げるとスループットは伸びてもレスポンスは悪化することがある。

ベンチマーク

あらかじめ定めた標準的な処理を実行して性能を測る手法。CPU 性能の SPEC、トランザクション処理の TPC などがある。実際の業務の負荷特性と異なれば結果もずれるため、最終判断には実データによる検証が要る。

例題

出典・根拠：IPA「応用情報技術者試験（レベル3）」シラバス Ver.7.2 大分類2：コンピュータシステム

演習：この章の問題を解く

ランダム出題の演習ツールです（JavaScript が有効な場合に動きます）。上の「確認問題」はそのままでもすべて読めます。