DRAMとはダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（Dynamic Random Access Memory：以降、DRAMと呼ぶ）の略で、コンピュータ内部の記憶装置であるメモリ（主記憶装置：以降、メモリと呼ぶ）に実装されています。

ランダム・アクセス・メモリ（Random Access Memory）の「ランダム・アクセス」とは、

• データを順番に取り出すこと（シーケンシャル・アクセス）が出来ない
• アドレスを指定すればデータを自由に取り出すことが出来る

という意味です。

この記事では、DRAMの

• 基本構造
• 動作原理

それぞれについて解説していきます。

DRAMの基本構造

DRAMは半導体の技術を応用した記憶装置で、メモリセルが縦横に並んで形成されています。

メモリセルは、

• 一つの選択トランジスタ（NMOSトランジスタ）
• 直列配置されたコンデンサ

から構成されています。

トランジスタに関する記事はこちら

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2019.03.20

コンデンサに関する記事はこちら

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2019.03.25

このメモリセル一つずつに、2進数のデータ

• 0
• 1

どちらの情報が記録されています。

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2019.02.08

メモリセル内の2進数のデータである

• 0
• 1

の区別は、コンデンサの電荷の有無で判断しています。

トランジスタがスイッチの役割を担っており、

• スイッチをオン -> コンデンサに電荷が貯まる。ある一定値以上に電荷がたまった状態・・・1
• スイッチをオフ -> コンデンサに電荷が貯まらない・・・0

となっています。

DRAMのメモリセルは、

• ワード線（Word Line）
• ビット線（Bit Line）

が縦横に格子状に走っており、その交差点に配置されています。

DRAMの動作原理

DRAMの動作には

• 書き込み動作
• 読み出し動作

があります。

ワード線（Word Line）及びビット線（Bit Line）の

• 電位が高い時は H（High） -> 2進数の[1]を書き込む
• 電位が低い時は L（Low） -> 2進数の[0]を書き込む

基本的に、電位のHとLを制御して2進数のデータを書き込みます。

書き込み動作

メモリセルに[1]を書き込む場合・・・

1. ワード線の電圧を上げた状態（電位のH）で
2. ビット線の電圧を上げ
3. トランジスタを通してコンデンサを充電

メモリセルに[0]を書き込む場合・・・

1. ワード線の電圧を上げた状態で
2. ビット線の電圧を0[V]にして
3. トランジスタを通して蓄えられた電荷を放電

読み出し動作

メモリセルの[1]の記憶情報の読み出しの場合・・・

1. ワード線の電圧を上げた状態（電位のH）にします
2. ビット線に放電電流が流れ
3. ビット線電位を瞬間的に上げます
4. これを検出回路で検査
5. [1]を判別します

メモリセルの[0]の記憶情報の読み出しの場合・・・

1. [0]のメモリセルではビット線に電流が流れず
2. 電位が変化しないので[0]と判別できます。

リフレッシュ

DRAMでは、コンデンサにおける蓄積電荷が微小な漏れ電流により徐々に記憶が失われます。

その為、一定の時間ごとに同一データを繰り返し書き込むリフレッシュ（refresh）という記憶の保持動作（再充電）が必要になります。

これがDRAMの「Dynamic（動的）」の名前の由来になっています。

データを保持するためには常に通電しておく必要があり、そのため

• データのアクセスの有無に関わらず電力を消費
• リフレッシュ間のデータ読み出し不可
• CPUからのアクセス待機による速度低下 等々

のリフレッシュによる弊害もあります。

以上、DRAMの

• 基本構造
• 動作原理

についての解説になります。

投稿 DRAMとは？DRAMの構造・動作原理を図解で説明 は Archive of Yone に最初に表示されました。

• デジカメ
• ビデオカメラ
• 携帯電話 等々

に使われるメモリカードや、パソコンで使うUSBメモリはフラッシュメモリを使った電子製品です。

半導体素子を利用した記憶装置の一つであるフラッシュメモリは、

• 何度も繰り返し書き込みが可能
• 電源を切っても記録されたデータが失われないこと

という特徴を持っています。

この記事では、フラッシュメモリの

• 基本構造
• 基本動作

についてそれぞれ説明していきます。

フラッシュメモリの基本構造

フラッシュメモリの基本構造は、電界効果トランジスタ（FET：Field Effect Transistor）のうち、金属酸化物半導体・電界効果トランジスタ（MOS・FET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）と呼ばれるトランジスタを基本にしています。

電界効果トランジスタ（以降、FETと呼ぶ）とは、スイッチのオン・オフをゲート電極に電圧をかける事でチャネル領域に生じる電界によって自由電子または正孔の濃度を制御し、

• ソース電極
• ドレイン電極

間の電流を制御するトランジスタを指します。

FETには

• ゲート
• ソース
• ドレイン

の主な三種類の端子があります。

金属酸化物半導体・電界効果トランジスタ（以降、MOS・FETと呼ぶ）はFETの一種で、通常、P型半導体であるシリコン基板上に作成されます。

P型半導体であるシリコン基板上のゲート電極にシリコンの酸化絶縁膜とその上にゲート金属を形成し、

• ドレイン電極
• ソース電極

間に高濃度の不純物をイオン注入し、N型半導体にします。

N型半導体・P型半導体に関する記事はこちら

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2019.03.18

メモリセル

フラッシュメモリのデータを記録する最小単位をメモリセルと呼びます。

メモリセルは層を形成しており、下層から上層にかけて

• P型半導体
• P型半導体の上部にN型半導体の
  • ドレイン電極（Drain）
  • ソース電極（Source）
• P型半導体の上にトンネル酸化膜
• 絶縁膜で挟んだフローティングゲート（Floating-gate）
• コントロールゲート（Control-gate）

で構成されています。

コントロールゲートに電圧が加わるとドレイン電極－ソース電極間に電流が流れます。

ドレイン電極－ソース電極間に電流が流れ始めるときのゲート電圧を「閾値電圧」と呼びます。

フラッシュメモリでは，

• フローティングゲート中に電荷が存在する ＝ （ドレイン電極－ソース電極間に電流が流れない）-> 2進数の 0
• フローティングゲート中に電荷が存在しない ＝ （ドレイン電極－ソース電極間に電流が流れる）-> 2進数の 1

と定義しています．

2進数に関する記事はこちら

【図解】2進数・10進数とは？2進数から10進数に変換

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2019.02.08

記録方式の技術

フラッシュメモリは記録方式の違いによって、

• SLC型
• MLC型
• TLC型

に分かれています。

フラッシュメモリの基本動作

フラッシュメモリの基本動作には

• 読み出し
• 書き込み
• 消去

があります。

フラッシュメモリのメモリセルは

• DRAM
• SRAM
• HDD

の様に上書き（オーバーライト：Over Write）が出来ません。

データを書き換えるためには

• 消去
• 書き込み

の順に行なう必要があります。

フラッシュメモリの消去

フラッシュメモリの消去は

• ドレイン極
• ソース極

に電圧を印加することでフローティングゲート内の自由電子を追い出します。

フラッシュメモリの書き込み

フラッシュメモリの書き込みは、

• 2進数の0を書き込む場合・・・コントロールゲートに印加することで、トンネル酸化膜を突き破って自由電子がフローティングゲートに蓄えられる
• 2進数の1を書き込む場合・・・何もしない

フラッシュメモリの読み出し

フラッシュメモリのデータの読み出しはコントロールゲートに印加して、ソース極からドレイン極に流れる電流を読み出します。

• データ -> 0・・・フローティングゲートに電子が蓄積されていればソース極・ドレイン極間には電流が流れにくい
• データ -> 1・・・フローティングゲートに電子が蓄積されていなければソース極・ドレイン極間には大きな電流が流れる

この違いを検出して2進数のデータが

• 0
• 1

どちらなのか判定します。

以上、フラッシュメモリの

• 基本構造
• 基本動作

についての説明になります。

投稿 フラッシュメモリとは?フラッシュメモリの仕組みを説明 は Archive of Yone に最初に表示されました。

ハードディスクドライブ（HDD：Hard Disk Drive：以降、HDDと呼ぶ）はコンピュータの仮想記憶装置の一つです。

コンピュータにおいては

• プログラムの命令・データの処理を実行する装置 -> CPU
• プログラムの命令・データを保存する装置 -> 記憶装置

それぞれ役割が分担されており、CPUの近くに位置する記憶装置ほど

• 高速な命令・データの転送
• 小容量

という特徴を持っている一方で、CPUから遠くに位置する記憶装置は

• 低速な命令・データの転送
• 大容量

という特徴を持っています。

CPU・レジスタに関する記事はこちら

CPUの仕組みとCPU構造・動作原理を図解で説明

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2019.04.14

この記事では、補助記憶装置であるHDDの

• 基本構造
• 基本動作

それぞれについて説明、最後に人気HDDを見ていきます。

HDDの基本構造

HDDの基本構造は、表側には

• ディスク（プラッタ）
• 磁気ヘッド
• アクチュエータ 等々

があり、裏側には

• 制御基板

があります。

ディスク（プラッタ）

ディスク（プラッタ）は、

• ガラス
• アルミニウム
• セラミック 等

の硬い基盤の上に磁性体を塗布したものです。

容量に応じて一般的に1 ～ 4枚のディスク（プラッタ）が一つのHDDの中に重なって入っています。

ディスク（プラッタ）の記録面は細分化して管理されています。

細分化は

• トラック
• シリンダ
• セクタ

と定義した単位で行います。 　

トラック

トラックはディスク（プラッタ）の

• 両面に存在
• 記録面を外側から内側に向かって同心円状に分割
• 分割されたドーナツ状の記録領域

を指します。

シリンダ

シリンダとは複数のディスク（プラッタ）の記録面にまたがる同一位置のトラックを仮想的に積み重ねて構成した円筒形を指します。

セクタ

トラックをさらに放射状に等分した領域をセクタと言います。

セクタはHDDの最小記録単位です。

下記条件のHDDの容量を計算して見ます。

このHDDの容量は

4,096 バイト × 1,436 × 54,982 × 1,500 = 485,094,309,888,000 バイト（500 ギガ・バイト（G・Byte））

となります。

バイトに関する記事はこちら

1バイトは何ビット？16進数から10進数・2進数に変換

1バイトは何ビット？16進数から10進数・2進数に変換 私たちが生活している世界では10進数が利用される事が多く、2進数にあまり馴染みがありません。 しかし、今や生活に欠かす事の出来ないコンピュータは2進数を利用しています。 人間の世界・・...

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2019.02.09

磁気ヘッド

磁気ヘッドは

• スイングアームの先端に取り付けられた形態
• ディスク（プラッタ）の片面に一つずつディスク（プラッタ）を挟むように配置

されています。

全てののスイングアームは一つのスイングアーム回転軸に固定されており、全ての磁気ヘッドは同じ動きでディスク（プラッタ）上を移動します。

HDDへのアクセス（読み出し・書き込み）は、高速回転するディスク（プラッタ）上をスイングアームによって移動、磁気ヘッドによって行われます。

アクチュエータ

アクチュエータ（actuator）とは、日本語で駆動装置という意味です。

磁気ヘッドやスイングアーム自体を動作させている箇所になります。

制御基板

HDD内部の裏側には制御基板が取り付けられており、

• データ読み書き等の制御装置
• モーターの制御装置
• キャッシュメモリ 等々

のチップが搭載されています。

HDDの基本動作

HDD動作はデータへのアクセスのみです。

• データの書き込み
• データの読み込み

に限られます。

HDDのデータの読み書きは

1. シーク（seek：探す） -> 位置の決定
   スイングアームを動作させることで、目的のトラックに磁気ヘッドを誘導
2. サーチ（search：検索する） -> 回転待ち
   ディスク（プラッタ）の回転にともなって目的のデータが磁気ヘッドの位置まで回って来るまで待機
3. データの転送
   セクタに書かれたデータの読み込みを開始

という一連の流れになります。

つまり、データへのアクセス時間 = シーク時間 + サーチ時間 + データの転送時間 となります。

HDDの基本動作について分かりやすい動画をTED Edが公開しています。

英語での説明になりますので、字幕を日本語に設定する事で、日本語でも理解出来ます。

人気HDD

人気内蔵HDDを

• 2.5インチ
• 3.5インチ

それぞれ紹介します。

内蔵HDD 2.5インチ

2020年6月時点における人気内蔵HDD（2.5インチ）ベスト3は

• MQ04ABD200
• MQ04ABF100
• ST2000LX001

になります。

MQ04ABD200

MQ04ABF100

ST2000LX001

内蔵HDD 3.5インチ

2020年6月時点における人気内蔵HDD（3.5インチ）ベスト3は

• ST8000DM004
• WD60EZAZ-RT
• WD40EZRZ-RT2

になります。

ST8000DM004

WD60EZAZ-RT

WD40EZRZ-RT2

以上、

• HDDの基本構造
• HDDの基本動作
• 人気HDD

についての説明になります。

投稿 ハードディスクドライブ(HDD)の仕組みを図解で解説 は Archive of Yone に最初に表示されました。

SSD（Solid State Drive：ソリッド・ステート・ドライブ：以降SSDと呼ぶ）はコンピュータの固体記憶装置の一つです。

コンピュータは

• プログラムの命令・データの処理を実行する装置 -> CPU
• プログラムの命令・データを保存する装置 -> 記憶装置

それぞれ役割が分担されており、CPUの近くに位置する記憶装置ほど

• 高速な命令・データの転送
• 小容量

という特徴を持っている一方で、CPUから遠くに位置する記憶装置は

• 低速な命令・データの転送
• 大容量

という特徴を持っています。

CPU・レジスタに関する記事はこちら

CPUの仕組みとCPU構造・動作原理を図解で説明

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2019.04.14

この記事では、補助記憶装置であるSSDの

• 基本構造
• 基本動作

それぞれについて説明、最後に人気SSDを見ていきます。

SSDの基本構造

SSDを構成する主な部品は

• インターフェイス
• SSDコントローラ
• バッファメモリ
• NAND型フラッシュメモリ

になります。

インターフェイス

SSDはHDD（ハードディスクドライブ：以降、HDDと呼ぶ）の代替記憶装置として登場、多くがSATAなどHDD同様のインタフェースを持ちます。

SSDのインターフェースには

• SATA
• M.2
• PCI Express
• USB接続SSD 等々

があります。

SATA

SATA（Serial Advanced Technology Attachment：連続的な先進技術的付属物）は、コンピュータに

• HDD
• SSD
• 光学ドライブ

を接続する為のインタフェース規格になります。

M.2

M.2は、コンピュータの内蔵拡張カードのフォームファクタと接続端子について定めたインタフェース規格になります。

フォームファクタとは、コンピューティングにおける主要システム部品の物理的寸法を指定したものです。

PCI Express

PCI（Peripheral Component Interconnect：周辺装置を構成している配線）とは、2002年にPCI-SIGによって策定されたI/Oシリアルインタフェース規格になります。

USB接続SSD

USB（Universal Serial Bus）とは、コンピュータ等の情報機器に周辺機器を接続するためのシリアルバス規格の一つです。

SSDコントローラ

SSDコントローラの主な役割には

• NAND型フラッシュメモリの制御
• バッファメモリの制御
• ホストコンピュータとのインターフェイス

があります。

NAND型フラッシュメモリの制御

NAND型フラッシュメモリの動作には

• 消去動作
• 書き込み動作
• 読み出し動作

があり、これをSSDコントローラによって制御します。

また、SSDコントローラは

• 論理アドレスと物理アドレスの交換
• ウェア・レベリング（wear leveling）
• エラー訂正
• 不良ブロック管理
• 消去回数の管理

も行なっています。

ウェア・レベリング

ウェア・レベリング（wear leveling）では、書き換え回数に寿命があるNAND型フラッシュメモリの特定メモリセルへのアクセスを拡散する働きをしています。

特定メモリセルへのアクセスが集中するとそのメモリセルの寿命が短くなるため、アクセスするアドレスを拡散する事で、見かけ上の寿命を延ばす工夫がされています。

エラー訂正

NAND型フラッシュメモリは

• 消去
• 書き込み

を繰り返す事で

1. 徐々に性能が悪化
2. データを保持できる時間が短縮
3. 同じセルのデータを繰り返し読み出すことでもエラーが増加傾向

になります。

SSDでは、エラーからデータを守るために、NAND型フラッシュメモリへの書き込みデータに加えて、

• エラー訂正のための生成データ書き込み
• 読み出し時にはこのエラー訂正データを使ったエラー訂正する仕組み

が備えられています。

不良ブロック管理

不良ブロック管理とは、エラーが発生し、

• 読み出し
• 書き込み

が行えなくなった記録領域を管理リストに登録し、二度と使用しないようにする機能になります。

消去回数の管理

消去回数の管理では

• 各ブロックの消去回数を記録
• ウェアレベリング処理では消去回数の少ないブロックを優先的に消去して書き込み処理に使用

する事で、NAND型フラッシュメモリ全体の寿命を延ばしています。

バッファメモリ

キャッシュ用のDRAMが組み込まれています。

DRAMに関する記事はこちら

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2019.04.25

NAND型フラッシュメモリ

NAND型フラッシュメモリは、半導体記憶装置の一種で

• 不揮発性
• 記憶容量当たりの単価が半導体記憶装置の中で最も低コスト

が特徴です。

フラッシュメモリに関する記事はこちら

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2020.06.01

SSDの基本動作

SSDの基本動作を一連の流れを通して見ていきます。

1. ホストコンピュータからインターフェイスを介してSSDに送信されたデータは、SSDコントローラを通して一度、バッファメモリに格納されます。

   

2. 全てのデータがバッファメモリに書き込まれると、SSDコントローラはホストコンピュータにデータの書き込みが完了した事を信号で送ります。

   

3. バッファメモリに蓄えられたデータは適切な速度で、SSDコントローラを通じてNAND型フラッシュメモリに書き込まれます。

   

4. NAND型フラッシュメモリの読み出し動作は、書き込み動作に比べるとはるかに速いです。

   ホストコンピュータがSSDのデータを読み出すときは、NAND型フラッシュメモリからバッファメモリ経由で

   • データ誤りの検出
   • 訂正処理

   を行い、ホストコンピュータにデータを送信します。

   

人気SSD

2020年6月時点における人気SSDベスト3は

• MX500 CT500MX500SSD1/JP
• MX500 CT1000MX500SSD1/JP
• WD Blue SN550 NVMe WDS500G2B0C

になります。

MX500 CT500MX500SSD1/JP

MX500 CT1000MX500SSD1/JP

WD Blue SN550 NVMe WDS500G2B0C

以上、

• SSDの基本構造
• SSDの基本動作
• 人気SSD

についての説明になります。

投稿 補助記憶装置であるSSDの仕組み（構造・動作） は Archive of Yone に最初に表示されました。

一つのコンピュータ内部には、複数のメモリが内蔵されています。

• レジスタ
• キャッシュメモリ
• メモリ（主記憶装置：以降、メモリと呼ぶ）
• HDD・SSD（補助記憶装置）

と複数の記憶装置が内蔵されています。

CPUの近くに位置する記憶装置ほど

• 高速な命令・データの転送
• 小容量

という特徴を持っている一方で、CPUから遠くに位置する記憶装置は

• 低速な命令・データの転送
• 大容量

という特徴を持っています。

CPUに関する記事はこちら

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2019.04.14

この記事では、

• メモリの基本構造
• メモリの基本原理
• 人気のメモリ

それぞれについて説明していきます。

メモリの基本構造

メモリは、

• 基板（メモリ・モジュール）
• DRAM
• 接続ピン

から構成されています。

基板には、複数のメモリチップ（DRAM）が搭載されており、金属製の複数の接続ピンでコンピュータのマザーボードと接続する構造になっています。

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2020.06.03

DRAMをプリント基板上に搭載したメモリ・モジュールには

• SIMM
• DIMM

の二種類があります。

メモリの基本原理

メモリは

• CPUが処理したデータ
• HDD・SSD（補助記憶装置）から読み込んだデータ

を一時的に保管する場所として使用されます。

ノイマン型コンピュータの特徴であるプログラム内臓方式では、

• 主記憶領域（命令領域、データ領域、スタック領域）・・・プログラムやデータを記憶
• アドレス選択回路・読み書き回路・・・記憶したプログラムやデータの読み書きを制御

から成り立っています。

メモリはバイト単位で情報を記録していおり、メモリの中は1バイトごとの部屋が集まっています。

各部屋の番号はアドレスと呼ばれ、CPUはアドレスを指定してメモリの部屋を特定し，データの受け渡しを行っています。

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2019.02.09

アプリケーション使用の際のメモリの動作

パソコンやスマートフォンで

• Webブラウザ
• Office系アプリケーション（Microsoft Office , Libre Office 等々）
• SNS 等々

のアプリケーションを利用する際のOSでのメモリの使われ方を説明します。

物理メモリ・論理メモリ

物理メモリとは、実際のメモリの事を指します。

物理メモリの末尾（高位アドレス側）にはOSが使うメモリ領域（システム領域）があります。

一方、論理メモリは、様々なアプリケーションが起動される際に、OSがアプリケーションに割り当てるメモリの事を指します。

論理メモリは物理メモリから割り当てられます。

アプリケーションは、自身が物理メモリを占有していると思っていますが、実際に占有しているのは割り当てられた論理メモリで、他のアプリケーションが使用しているメモリ領域にはアクセスできないようになっています。

OSがアプリケーションに論理メモリを割り当てる際に物理メモリが不足する事があります。

その場合、OSが使用頻度の低いメモリ領域をHDD 等々（補助記憶装置）上の「スワップファイル」にスワップさせ、必要に応じてまたメモリに書き戻します。

アプリケーションに割り当てられた論理メモリ

OSがアプリケーションに割り当てた論理メモリは

• コード領域（プログラム領域）・・・機械語に翻訳されたプログラムが格納
• 静的領域・・・グローバル変数などの静的変数が格納
• ヒープ領域・・・動的に確保されるメモリ領域
• スタック領域・・・自動変数（ローカル変数）が格納

の四つの領域に分かれています。

人気のメモリ

2020年6月時点における人気メモリ・ベスト3は

1. F4-2666C19D-16GNT
2. CMK16GX4M2A2666C16
3. CT2K8G4DFS832A

になります。

F4-2666C19D-16GNT

CMK16GX4M2A2666C16

CT2K8G4DFS832A

以上、

• メモリの基本構造
• メモリの基本原理
• 人気のメモリ

についての説明になります。

投稿 メモリ(主記憶装置)とは?仕組み･おすすめメモリ は Archive of Yone に最初に表示されました。

「メモリ（Memory）」は、日本語で一般的に「記憶」と訳されますが、コンピュータ界での「メモリ」は、コンピュータが処理すべきデジタルデータをある期間保持する為に使用される

• 電子部品
• 電子装置
• 電子媒体

の総称を指す事になります。

コンピュータ内部では、プログラム内の命令・データを

• 処理・実行する部分・・・CPU
• 保存・格納する部分・・・メモリ

とそれぞれ役割があり、一つのコンピュータ内部には数種類の異なる記憶装置が存在します。

CPUの近くに位置する記憶装置ほど

• 高速な命令・データの転送
• 小容量

という特徴を持って一方で、CPUから遠くに位置する記憶装置は

• 低速な命令・データの転送
• 大容量

という特徴を持っています。

CPUやレジスタに関する記事はこちら

CPUの仕組みとCPU構造・動作原理を図解で説明

CPUの仕組みとCPU構造・動作原理を図解で説明 CPU【Central Processing Unit】（以降、CPUと呼ぶ）は中央処理装置と呼ばれ、プログラムを解釈・実行してコンピュータ全体の動作を制御しています。 コンピュータの中央処...

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2019.04.14

コンピュータは以前から

• メモリ（主記憶装置：以降、メモリと呼ぶ）
• HDD・SSD（補助記憶装置）

の記憶装置や伝送路の性能がCPUの処理装置の性能に追いつけませんでした。

ノイマン型コンピュータでは

• 記憶装置に命令を格納
• CPUが命令を実行

このプロセスは、CPUは必ず外部バスを通して記憶装置にアクセスしなければならず、CPUと記憶装置のアクセス速度が遅ければコンピュータ全体のボトルネックになっていました。

そこで、CPUがデータや命令などの情報を取得・更新する際、

• 記憶装置や外部バス等の遅延・低帯域を隠蔽
• CPUと記憶装置の性能差を埋める

これらのためにキャッシュメモリが用いられるようになりました。

この記事では、CPU記憶装置の一つであるキャッシュメモリの

• 基本構成
• 基本原理

それぞれについて説明、最後に人気CPUを見ていきます。

キャッシュメモリの基本構成

キャッシュメモリは記憶階層では、

• CPU（レジスタ）
• メモリ

の間に存在し、メモリの内容のごく一部を一時的に保存しておく記憶装置です。

以前はCPUチップの外部にキャッシュメモリを搭載するのが主流でしたが、半導体微細化技術の向上により、現在はCPUチップ上にキャッシュメモリを搭載しています。

キャッシュメモリは

• メモリに比べるとはるかに高速
• 記憶容量が少ない

という特徴を持っています。

キャッシュメモリは、

• CPUが頻繁にアクセスすると予想される命令・データの保存
• 低速なメモリへのアクセス頻度を最大限度まで減らす
• CPUの平均的な待ち時間を短縮すること演算性能を高める
• CPUとメモリを接続するバスのデータ転送速度に対する要求値を下げる

という役割を担っています。

キャッシュメモリは、通常は下位レベルの記憶装置である

• メモリ
• 補助記憶装置

より小容量・高速なSRAM（Static Random Access Memory）を用いて構成されます。

SRAMは、

• 半導体メモリの一種
• Static（スタティック：静的）な回路方式により情報を記憶するフリップフロップ等の順序回路
• DRAM（Dynamic Random Access Memory）とは異なり、定期的なリフレッシュ（回復動作）が不要
• 揮発性メモリ

という特徴があります。

フリップフロップ回路

フリップフロップ回路（Flip-flop）とは、2進数の基本である1ビットの情報を一時的に

• 0
• 1

どちらかの状態として保持する（記憶する）ことができる論理回路です。

フリップフロップ回路はその構造と機能によって

• RS型（Reset・Set）
• JK型（語源不明）
• D型（Delayed）
• T型（Toggle）

に分類されます。

データ格納構造

キャッシュメモリに格納するデータには

• ライン（Line）・・・大きさの単位
  ライン（Line）の大きさ（長さ）は、16 Byteから256 Byte位です
• タグ（Tag）・・・キャッシュメモリに格納したデータのアドレス
  例えば、64 Byte のライン（Line）下位ビットのアドレス（下位6 bit）はタグ（Tag）にする意味が無く、必要な上位ビットのアドレス（上位アドレス）だけをタグ（Tag）とします
• セット（Set）・・・ライン（Line）の集まり

という単位があります。

また、キャッシュメモリにデータを格納する方式には

• フル・アソシアティブ方式
• ダイレクトマップ方式
• セット・アソシアティブ方式

があります。

フル・アソシアティブ方式（Fully Associative）

Associative（アソシアティブ）は、日本語で

• 連帯の
• 連想の

という意味です。

フル・アソシアティブ方式はCPUが要求したアドレスとキャッシュメモリのタグを全て比較する方式になります。

メリットには、キャッシュメモリとメモリのやりとりに制限がないことですが、デメリットとして

• 回路の規模が大きくなること
• 消費電力が大きくなる

が挙げられます。

ダイレクトマップ方式（Direct Mapped）

ダイレクトマップ方式は、メモリのアドレスからキャッシュメモリのラインの位置を予め決めてしまう方式です。

具体的には、「インデックス」という、メモリのアドレスの一部（中位のアドレス）を、キャッシュメモリのラインのアドレスに割り当てます。

メリットは、「インデックス」を利用してキャッシュメモリを読みに行くという動作になるため、

• 回路規模がコンパクト
• 回路の動作を高速にしやすい

という点が挙げられる一方、デメリットとして、

• メモリで同じ「インデックス」に対応するデータは複数個存在するのに対し、キャッシュメモリで格納可能なラインが一つしかない
• 既にデータが埋まっているキャッシュメモリのラインに同じ「インデックス」のデータを格納するには前のデータを消して上書きするしかない

という点が挙げられます。

セット・アソシアティブ方式（Set Associative）

セット・アソシアティブ方式は

• フル・アソシアティブ方式
• ダイレクトマッピング方式

の中間的な方式になります。

現在、ほとんどのCPUアーキテクチャ（設計）が採用するキャッシュ構造です。

「インデックス」を利用してマッピングするという点ではダイレクトマッピング方式と変わりませんが、同じ「インデックス」に対応するキャッシュメモリのラインを複数個用意しています。

• ウエイ（Way）・・・「インデックス」に対応するキャッシュメモリのラインのグループ

キャッシュメモリの基本原理

CPUがロード命令（データをレジスタに読み込み）を出した場合、下記の三パターンのアクセス方法が考えられます。

（１）1次（データ）キャッシュメモリに対応するデータが存在

1. 1次（データ）キャッシュメモリにヒット
2. 1次（データ）キャッシュメモリからデータを読み込み
3. CPUに戻す

（２）1次（データ）キャッシュメモリには対応データが存在せず、2次キャッシュメモリに存在

1. 1次（データ）キャッシュメモリはミス
2. 2次キャッシュメモリはヒット
3. 2次キャッシュメモリのデータを読み込み
4. CPUに戻すとともに、1次1次（データ）キャッシュメモリにデータをコピー
5. 1次（データ）キャッシュメモリのラインが全て埋まっていた時、コピー前にどれかのラインからデータを追い出し、空きラインを作る

（３）1次（データ）キャッシュメモリ・2次キャッシュメモリの両方に対応するデータが存在しない

1. 1次（データ）キャッシュメモリはミス
2. 2次キャッシュメモリもミス
3. メモリからデータを読み込み
4. CPUに戻すとともに、1次（データ）キャッシュメモリと2次キャッシュメモリにデータをコピー
5. コピー前に、1次（データ）キャッシュメモリと2次キャッシュメモリのラインに空きラインを作っておく

キャッシュメモリ・ラインの入替アルゴリズム

キャッシュメモリには大きく分けると

• アロケーション（allocation）・・・メモリからデータをキャッシュメモリのラインにコピーする動作
• エビクション（eviction）・・・特定のキャッシュメモリのラインからデータを追い出して空きのラインを作る動作

の二つの動作が存在します。

アロケーション動作は、

• CPUがデータを読み込むタイミング
• CPUがデータを書き込むタイミング

で行われます。

一方、エビクション動作では、キャッシュメモリ構造がセット・アソシアティブ方式の場合、キャッシュメモリのラインからデータを立ち退かせる方法は、

• ランダム（Random）
• ラウンドロビン（Round Robin）
• LRU（Least Recently Used）

があります。

ランダム（Random）

ランダム（Random）とは、無作為に立ち退かせるデータのキャッシュメモリのラインを決める方法です。

この方式は、頻繁にアクセスするキャッシュメモリのラインのデータが消されてしまうというリスクを孕んでいます。

ラウンドロビン（Round Robin）

ラウンドロビン（Round Robin）とは、立ち退かせるデータのキャッシュメモリのラインを順番にずらしていく方法です。

ランダム（Random）と同様、各キャッシュメモリのラインのアクセス頻度に拘らない為、あまりヒット率が高くありません。

LRU（Least Recently Used）

LRU（Least Recently Used）とは、最も古くアクセスされたデータのキャッシュメモリのラインを立ち退かせる方法です。

キャッシュの読み込み・書き込み

キャッシュメモリを搭載したシステムでは、メモリのデータは基本的にキャッシュメモリを介して読み書きされます。

データの書き込みは、大きく分けて

• ライトスルー（write through）・・・キャッシュメモリとメモリに同時に書き込む方法
• ライトバック（write back）・・・キャッシュメモリだけに書き込み、メモリには後で書き込む方法

と二種類あります。

ライトスルー

ライトスルー（write through）は、必ずメモリへの書き込みを伴う為、キャッシュメモリが存在しない場合と同等にパフォーマンスが落ちる場合がありますが、メモリの内容は常に最新の状態に保たれます。

ライトバック

ライトバック（write back）は、キャッシュメモリにのみ書き込みが行われるため、高速に動作します。

メモリに書き込まれるタイミングが遅れる為、プログラムからは「メモリに書き込みを行ったが、実際には書き込まれていない」という状態が発生することになります。

人気CPU

2020年6月時点における人気CPUベスト3は

• Ryzen 5 1600 (AF)
• Ryzen 3 3300X
• Ryzen 5 3600

になります。

Ryzen 5 1600 (AF)

Ryzen 3 3300X

Ryzen 5 3600

以上、

• キャッシュメモリの基本構成
• キャッシュメモリの基本原理
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についての説明になります。

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