IT用語集 2024/11/29

Fortranとは？ 10分でわかりやすく解説

コラム

Fortranは、科学技術計算や数値シミュレーションの分野で長年使われてきたプログラミング言語です。いわゆる“古い言語”という印象を持たれがちですが、規格はアップデートされ続けており、現場では「既存の資産（膨大なコードとライブラリ）を活かしつつ、高速に計算したい」という理由で今も選ばれています。本記事では、Fortranの概要、基本文法、開発の進め方、活用事例までを、初心者にも理解できる粒度で整理します。

Fortranとは何か？

Fortran（フォートラン）は、主に科学技術計算・数値解析・シミュレーションで用いられるプログラミング言語です。配列（ベクトル・行列）を扱う計算に強く、コンパイラ最適化とも相性がよいため、大規模計算で高い性能を出しやすい点が特徴です。

Fortranの概要と歴史

Fortranは1950年代にIBMで開発され、科学技術計算を「人が読み書きできる形」で記述し、機械語へ翻訳（コンパイル）するという発想を早期に実用化しました。名称はFORmula TRANslation（数式の翻訳）に由来するとされています。

Fortranは「古いまま残っている言語」ではなく、長い歴史のなかで規格（標準）が段階的に整備され、機能が拡張されてきました。代表的な標準の流れは次の通りです。

FORTRAN I（1957年）
FORTRAN II（1958年）
FORTRAN IV（1962年）
FORTRAN 77（1978年）
Fortran 90（1991年）
Fortran 95（1997年）
Fortran 2003（2004年）
Fortran 2008（2010年）
Fortran 2018（2018年）
Fortran 2023（2023年）

特にFortran 90以降は、モジュール（module）による部品化、配列演算の表現力、派生型（ユーザー定義型）などが整い、「手続き型の数値計算言語」から、より大規模開発に耐える設計へ進化しています。

Fortranの特徴と用途

Fortranは次のような特徴を持ちます。

数値計算・配列処理に強い（行列演算や配列全体への操作を自然に書ける）
コンパイラ最適化が成熟しており、高性能計算（HPC）で実績がある
長年の資産（レガシーコード、検証済みの数値計算ライブラリ）が多い
現代的な機能（モジュール化、例外的な入力検証、並列化のための機能など）も利用できる

そのため、Fortranが特に活躍するのは「計算が重い」「正しさの検証が積み上がっている」「長期運用する」タイプの領域です。例えば、次のような用途があります。

科学技術計算（物理・化学・材料・地球科学などのシミュレーション）
工学計算（構造解析、流体解析、熱解析など）
気象・気候（数値予報モデル、気候変動の研究）
金融工学（数値計算・最適化・シミュレーション）

Fortranが使われる分野

分野	具体例
科学技術計算	数値シミュレーション、物理モデリング、最適化計算など
工学	構造解析、流体力学、熱伝導解析、CAEなど
気象・地球科学	気象予測、海洋モデル、地震・津波解析、気候モデルなど
金融工学	モンテカルロ法、リスク評価、数値最適化、デリバティブ評価など

これらの分野では、同じ計算を何度も回したり、巨大な格子（メッシュ）・行列を扱ったりします。実行速度と安定性が効いてくるため、Fortranの強みが素直に活きます。また、古いコードが残っていること自体が理由になる場合もあります。すでに検証が終わっている計算ロジックを、ゼロから別言語に移植するのはコストもリスクも大きいためです。

Fortranと他のプログラミング言語の比較

Fortranは“何でもできる汎用言語”ではありません。強みが明確な一方、用途によっては他言語のほうが適することもあります。現場では「目的に応じて組み合わせる」ことがよくあります。

言語	相性が良いポイント（概観）
C/C++	システム寄りの処理や細かい制御に強い。Fortranと同様に高性能を狙える。
Python	実験・可視化・前処理・後処理が得意。数値コアはFortran（またはC系）に任せる構成が多い。
MATLAB	試行錯誤や可視化に強い。用途によっては高速化や大規模化の工夫が必要になる。
Julia	数値計算に強く、高速性も狙える。採用は拡大傾向だが、既存資産の厚さは分野によって差がある。

Fortranの立ち位置は、「計算の心臓部（数値コア）で性能と安定性を出しやすい言語」です。可視化やデータ処理など周辺領域はPythonで、数値コアはFortranで、という分業は典型的です。

Fortranの基本文法

ここでは、初心者がつまずきやすいポイントを補いながら、Fortranの基本文法を整理します。なお、現代のFortranは“自由形式（free form）”で書くのが一般的で、拡張子は「.f90」などがよく使われます。

基本構造（PROGRAM / IMPLICIT NONE）

Fortranでは、プログラム全体をPROGRAMから始め、END PROGRAMで閉じます。初心者の段階で強く推奨したいのがIMPLICIT NONEです。これを入れると、変数の宣言漏れ（タイポ）がコンパイル時に検出されやすくなり、原因不明の計算ミスを減らせます。

program hello
  implicit none
  print *, "Hello, Fortran!"
end program hello

Fortranのデータ型

Fortranには、次のような基本データ型があります。数値計算が中心になるため、整数・実数・複素数・論理型が標準で強力です。

データ型	説明
INTEGER	整数型。カウンタや添字などに使う。
REAL	実数型（浮動小数点）。シミュレーションの実数値に使う。
COMPLEX	複素数型。周波数解析などで有用。
CHARACTER	文字型（文字列）。メッセージやファイル名などに使う。
LOGICAL	論理型（.TRUE. / .FALSE.）。条件分岐やフラグに使う。

注意点として、実数の精度は「REAL＝単精度」「DOUBLE PRECISION＝倍精度」と単純に覚えられがちですが、現代のFortranではKIND（種別値）で精度・表現を指定する書き方が一般的です。特に数値誤差に敏感な計算では、精度設計（どの変数をどの精度で持つか）が品質に直結します。

Fortranの変数宣言

Fortranでは、変数を使用する前に宣言します。基本形は次の通りです。

データ型 :: 変数名1, 変数名2, ...

例として、整数のカウンタiを宣言するなら以下です。

integer :: i

配列を宣言する例は次の通りです。

real, dimension(100) :: a

この例では、実数配列aを100要素で宣言しています。Fortranは配列処理が強みのため、配列の次元や添字範囲（1始まりがデフォルト）を意識して設計すると、コードが読みやすくなります。

制御構文（IF / DO）

条件分岐や繰り返しの基本構文は、他言語と同様に押さえておく必要があります。

IF文（条件分岐）

if (condition) then
  ! 条件が真の場合の処理
else
  ! 条件が偽の場合の処理
end if

数値計算では「しきい値による分岐」「収束判定」「例外条件（ゼロ除算回避など）」が多いため、条件式の設計は重要です。例えば浮動小数点の比較では、完全一致より許容誤差（トレランス）を使う、などの配慮が必要になることがあります。

DO文（繰り返し）

do i = 1, 100
  ! 繰り返す処理
end do

この例では、iが1から100まで増えながら処理が繰り返されます。計算量が大きい場合、ループが性能ボトルネックになることが多いため、配列演算への置き換えや、並列化（後述）を検討するのが現場的です。

入出力（READ / WRITE）

Fortranの入出力は、シミュレーションのパラメータ読み込みや結果保存で頻繁に使われます。最も簡単な例は次の通りです。

READ（読み込み）

read(*, *) x, y

標準入力から値を読み込み、xとyに格納します。

WRITE（出力）

write(*, *) "Result:", result

標準出力に文字列と変数を出力します。

実務では、ファイル入出力（open / close）や、フォーマット指定（桁数・指数表記・区切りなど）も重要になります。計算結果は「見た目の整形」以上に、後工程（可視化、分析、再現性）を左右するため、出力形式を早めに決めておくと運用が楽になります。

Fortranを使ったプログラミング

ここでは、Fortranで実際に開発を進めるために必要な、開発環境・コンパイル・実行・デバッグの要点を整理します。初心者でも「手を動かして確認できる状態」をゴールにします。

Fortranの開発環境

Fortranを始めるには、まずコンパイラが必要です。代表的なものは次の通りです。

GNU Fortran（gfortran）：無料で使えることが多く、学習・研究用途で広い
Intel Fortran Compiler：最適化や周辺エコシステムが強い構成で使われることがある
IBM XL Fortran：特定環境で利用される
Oracle Developer Studio（旧 Sun Studio）：特定環境で利用される

学習用途なら、まずはgfortranで十分に始められます。エディタはVS Codeなど、普段使っているものをそのまま使って構いません。慣れてきたら、ビルド手順（コマンドやMakefile）を整えていくと管理が楽になります。

Fortranプログラムの作成手順

テキストエディタでFortranのソースコードを書きます。
拡張子を付けて保存します（例：.f90）。
コンパイラでコンパイルします。
生成された実行ファイルを実行します。

この段階で意識したいのは「モジュール化」です。小さくてもよいので、データ構造や手続きを部品として分ける癖を付けておくと、後で大きくなったときに破綻しにくくなります。

Fortranプログラムのコンパイルと実行

gfortranでコンパイルする例です。

gfortran -o app main.f90

実行は次の通りです（OSにより表記が異なることがあります）。

./app

実務では、最適化オプション（例：最適化レベル、デバッグ情報の有無）を状況に応じて切り替えます。例えば「デバッグ中は最適化を弱める」「本番計算は最適化を有効にする」といった運用が典型です。

Fortranプログラムのデバッグ方法

デバッグは“地味だけれど結果を左右する工程”です。Fortranでも基本は同じで、次のような方法が有効です。

writeで途中経過（変数・配列の一部）を出力して追う
デバッガを使い、停止・ステップ実行・変数の確認を行う
境界条件（配列添字、ゼロ除算、NaN発生など）を重点的に点検する
小さな入力データで再現ケースを作り、原因の切り分けをする

数値計算では「エラーで止まる」よりも「止まらずに間違った値が出る」ほうが怖いことがあります。implicit none、入力の妥当性チェック、途中値のサニティチェック（値域や収束の確認）を仕込むことが、結果の信頼性に効いてきます。

Fortranの活用事例

Fortranは、今も数値計算を必要とする領域で使われています。ここでは代表的な活用例を、なぜFortranが選ばれやすいのかという観点も含めて紹介します。

科学技術計算でのFortranの活用

物理シミュレーション、化学反応解析、材料計算、数値最適化などでは、巨大な配列を何度も更新するような計算が頻出します。Fortranは配列処理の表現力が高く、コンパイラ最適化も成熟しているため、計算コアに採用されることがあります。また、過去の検証済みコードを引き継ぎやすい点も大きい要因です。

気象シミュレーションへのFortranの適用

気象・気候モデルは、空間格子と時間ステップの組み合わせで、膨大な計算を繰り返します。モデルの継続改良も長期にわたるため、実績のあるコード資産を維持しながら性能を引き出す必要があります。こうした背景から、Fortranが使われ続けている領域の一つです。

宇宙開発におけるFortranの利用

軌道計算、構造解析、流体解析など、宇宙開発でも数値計算が中心となる領域があります。ここでも重要なのは「速さ」と「正しさ」の両立であり、長期的な検証の積み上げが資産になります。Fortranは、こうした“積み上げるタイプの計算”と相性がよい言語の一つです。

金融工学分野でのFortranの応用

金融工学では、モンテカルロ法や数値最適化など、計算負荷が高い手法が使われます。要求されるのは「速く回すこと」だけでなく「同じ条件で同じ結果が出ること（再現性）」でもあります。Fortranは数値計算の領域で蓄積があるため、計算コアとして採用されるケースがあります。

まとめ

Fortranは、科学技術計算や数値シミュレーションを中心に長年使われてきたプログラミング言語です。配列処理の強さとコンパイラ最適化の成熟により、計算コアで高い性能を狙いやすいこと、そして検証済みのコード資産が豊富であることが、今も利用される理由です。基本文法（宣言、配列、IF/DO、入出力）を押さえたうえで、implicit noneやモジュール化などの実務的な作法を取り入れると、学習から実戦へ移りやすくなります。