Fortran（フォートラン）とは：歴史・特徴・用途 — 科学計算向け高性能プログラミング言語

Fortran（フォートラン）の歴史・特徴・用途を解説。科学計算向け高性能言語の進化と実践的活用法をわかりやすく紹介。

Fortranは1950年代に初めて作られたプログラミング言語です。現在も使用されています。手続き型言語で、主に科学計算や数値解析に使用されています。

最初のFORTRANコンパイラは、1954-57年にJohn W. Backus率いるIBMのチームによって作成されました。このコンパイラは、あらゆる高レベル言語のための最初のコンパイラでした。著者たちは、FORTRANで書かれたプログラムがアセンブリ言語で書かれたプログラムよりも高速に動作しなければ、誰もその言語を使わないのではないかと心配していました。そこで、最適化コンパイラにしました。

数値計算を行う科学者が多用するため、高品質な（高速な）コードを生成するコンパイラを作成するようにコンパイラライターを奨励する形で言語が成長しました。多くの高性能コンパイラベンダーがあります。コンパイラの理論と設計における多くの作業と研究は、Fortranプログラムのための優れたコードを生成する必要性に起因しています。

この言語のいくつかの改訂版が登場しましたが、その中には非常によく知られた FORTRAN IV (FORTRAN 66 と同じ)、FORTRAN 77、Fortran 90 があります。この言語の最新の正式な標準は1997年に発表され、Fortran 95として知られています。

当初、この言語はソースコードの正確な書式設定と、Fortranのgotoのように書かれたステートメント番号と'go to'ステートメントの多用に依存していました。

各バージョンでは、ソースコードのコメントやテキストの出力、IF-THEN-ELSE（FORTRAN 77）、再帰（Fortran 90）、並列構成などの「現代的な」プログラミングの概念が導入され、Fortranの「無駄のない」プロファイルと高いパフォーマンスを維持しようとしていました。

歴史と発展（要点）

Fortranは科学技術計算のために設計され、初期から「コンパイラによる最適化」に重点が置かれていました。これが後のコンパイラ研究と最適化技術の発展を牽引しました。1960〜70年代には数多くの数値ライブラリが登場し、Fortranは計算物理、気象、工学解析といった分野で主流となりました。

主な言語特徴

• 配列操作とベクトル化：Fortranは配列を言語レベルで強くサポートし、配列式（例：A = B + C）によるベクトル化が可能で、計算を簡潔に記述できます。
• 列優先（column-major）メモリ配置：配列は列優先で格納され、これを利用したメモリアクセス最適化が行いやすいです。
• 高性能コンパイラの存在：言語仕様によりコンパイラが積極的に最適化できるため、同等の処理をCやC++で書く場合と比べても高性能を出しやすいことがあります。
• モジュールと名前空間：モジュール（module）によりデータや手続きのカプセル化が可能です。
• 数値計算に便利な組み込み機能：線形代数、数学関数、複素数サポート、豊富な入出力（formatted/unformatted, NAMELIST）など。
• 並列化サポート：OpenMPやMPIでの並列化に加え、標準言語としての並列機構（coarrays など）が追加されています。
• Cとの相互運用：Fortran 2003以降のISO_C_BINDINGにより、Cとの相互呼び出しが容易になっています。

標準と近年の動向

提供された文章ではFortran 95（1997年）が最新の標準と記載されていますが、その後も標準は更新されています。主な改訂は次の通りです：

• Fortran 77：構造化プログラミング（IF-THEN-ELSEなど）を取り入れた重要な版。
• Fortran 90：自由形式ソース、モジュール、配列式、再帰、動的配列、派生型などを導入。
• Fortran 95：マイナー改良と標準化。
• Fortran 2003：オブジェクト指向機能、ISO_C_BINDINGによるCとの相互運用、より強力な入出力などを追加。
• Fortran 2008：coarray並列プログラミング、さらに並列・同期機能が強化。
• Fortran 2018：言語の整備・拡張を継続（最新のISO標準は2018年版）。

性能とコンパイラ

Fortranの強みは、言語設計がコンパイラに最適化の余地を与えることにあります。多くのFortranコードが数十年にわたり最適化され続け、BLAS、LAPACK、ScaLAPACKなどの高性能な数値ライブラリはFortranで実装・利用されてきました。代表的なコンパイラには gfortran（GCCの実装）、Intel Fortran、NAG、NVIDIA（旧PGI）、Cray などがあります。また最近はLLVMベースの実装（flang等）も進んでいます。

用途とエコシステム

主な用途は次の通りです：

• 大規模な数値シミュレーション（気候モデル、流体力学、構造解析など）
• 科学技術計算ライブラリ（線形代数、特異値分解、固有値問題など）
• 高性能計算（HPC）環境での並列プログラミング
• 既存の膨大なレガシーコードの保守・拡張

また、FortranはHDF5やNetCDFといった科学データフォーマットや、MPI/OpenMPなどの並列ライブラリとも密に連携して使われます。

現代Fortranを選ぶ理由と注意点

Fortranを選ぶ主な理由は「数値計算性能」「豊富な既存ライブラリ」「大規模な科学コードの資産」です。一方で、他言語（C/C++、Python等）との連携や、最新の言語機能を必要とする開発では相互運用性や開発生産性を考慮する必要があります。Fortranは近年も機能追加が続いており、オブジェクト指向や並列化、C連携など現代的な要件に応えられるようになっています。

学習とリソース

入門するには、最新の標準（Fortran 2003以降）に基づいた入門書やオンラインチュートリアルを使うとよいでしょう。主要なコンパイラ（gfortranなど）は無償で利用でき、豊富なサンプルコードや数値ライブラリも入手可能です。実際の科学計算の現場では、既存ライブラリの使い方や効率的な配列操作・メモリ管理を学ぶことが重要です。

まとめ：Fortranは歴史が長く、科学技術計算分野で高い性能と豊富なエコシステムを持つ言語です。古い構文の印象が残る一方で、近年の標準で現代的な機能が多数導入されており、HPCや数値解析の分野では依然として重要な選択肢です。

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