第4回 名脇役メモリ

主役のCPUの脇役がメモリです。CPUが処理するのはメモリに読み込まれたデータです。処理結果もメモリに書き込みます。CPUにとってメモリはなくてはならない存在です。その大切な仕事をするメモリの構造や種類を説明します。

コンピュータは生活のいたるところに使われています。それだけメモリも身近なものになっています。デジタルカメラ、携帯電話、携帯音楽プレーヤーでは、メモリは画像やメール、音楽データを保存するという準主役の働きをします。パソコンの内部でもメモリの働きは重要です。
特にメインメモリ（主記憶）はCPUの作業領域となり、その性能がCPUの性能に影響を与えます。今回はCPUと結びつきが強いこのメインメモリのお話しです。

半導体メモリ

単に「メモリ」と言うと、ほとんどの場合CPUが直接読み書きできる半導体メモリを意味します。半導体メモリはさまざまな種類があります。

メモリの種類

大別すると、次のように分類することができます。

電源を切ると記憶も消去されてしまうのが揮発性メモリです。これに対して、電源を切っても記憶し続けるメモリが不揮発性型です。
揮発性メモリは、主として自由に読み書きできるRAM（Random Access Memory)と呼ばれます。メインメモリとしてRAMはCPUの一時的な記憶作業領域となります。
RAMは動作特性からDRAM（Dynamic RAM）とSRAM（Static RAM）に分類されます。

不揮発性メモリは、読み出し専用メモリROM（Read Only Memory）です。
ROMは半永久的な記録領域で、コンピュータの中ではBIOSの記憶に利用されています。
ROMは製造工程でデータやプログラムが記録されるMROM（Mask ROM）とユーザー（コンピュータメーカーなど）が何らかの方法で記録するPROM（Programmable ROM）に分類されます。

メモリの記憶のしくみ

メモリは格子状に並んだ記憶素子で構成されています。一つ一つの記憶素子をメモリセルといいます。それぞれのセルは、電荷の有無で1または0を記憶します。
セルの記憶のメカニズムを説明します。

メモリセルにデータを書き込む（「1」を記憶させる）

W線に電圧をかけます。するとセルのトランジスタスイッチがオンになります。
さらにB線に電圧をかけると、トランジスタスイッチがオンなので、B線の電圧でコンデンサが充電され、電荷が蓄えられます。
W線の電圧を切るとトランジスタスイッチはオフになります。逃げ場のない電荷はそのまま蓄えられ、セルに「1」が記憶されます。

メモリセルからデータを読み出す（「1」を読み出す）

W線に電圧をかけます。するとセルのトランジスタスイッチがオンになります。
B線には電圧をかけないままにするとコンデンサに蓄えられた電荷が流れ出し、B線に電圧が発生します。これを読み取ります。
以上のことから、DRAMは一度読み込みをするとそのセルの内容が失われることが分かります。そのために再書込という動作が必要です。

リフレッシュ

トランジスタスイッチはオフにしていてもわずかずつ電流が漏れます。そのため蓄えられた電荷が少しずつ流れ出し、一定以下になると1か0か分からなくなります。そこで一定時間をおいて、改めて書込を行わなくてはなりません。これをリフレッシュといいます。Dynamic（動的）RAMの名前の由来はこのリフレッシュ動作にあります。

メモリの形状

メモリは、コンピュータで使用されるときにはモジュールと呼ばれる形状で装着されます。
これまで説明してきたメモリセルは必要な容量分、格子状に配置されて一つのICパッケージに封入されます。これをメモリチップといいます。
メモリチップは専用の基板に載せられます。このメモリ基板をメモリモジュールといいます。
通常使用するときには、このモジュールと呼ばれる状態で使用することになります。

上の図はDIMM（Dual Inline Memory Module）と呼ばれるメモリモジュールで、現在最も普及しています。メモリチップが8個並んでいます。メモリチップは8の倍数でDIMMに装着されることになっています。
SPD (Serial Presence Detect)はEEPROMです。メモリモジュールの製品仕様が書き込まれており、コンピュータは起動時にこの内容を確認し、自動的にメモリの設定をします。
端子は、DIMMの場合、基板の裏表でそれぞれ別々の信号の入出力を行います。これがDualの由来です。裏も表も共通の信号を扱うSIMM（Single Inline Memory Module）というのもあります。最近では見かけることが少なくなりました。

コンピュータとメモリ

次の表は、パソコンの黎明期から今日に至るまでの代表的なパソコンを年表にしたものです。
パソコンに標準搭載されていたメモリの大きさとOSをご覧ください。

パソコンの黎明期、手作りのキットの時代から30年でコンピュータに搭載されるメモリの記憶容量は100万倍になっています。CPUのクロック周波数の2MHzから現在の3GHz超で、2500倍になったのと比べても、驚異的な増加です。
CPUが8ビットから32ビットへ、OSやアプリケーションソフトが複雑・高度化に伴い、CPUの作業領域もより広く大容量化が必要になってきたこと、メモリチップの生産技術の向上で集積度が飛躍的に向上していることなどが理由として上げられます。
大容量化だけでなく、動作速度の向上、安定度の向上のために読み書き方法、モジュールの形状などさまざまな新しいものが登場しています。

現在の主流はDDR-SDRAM（Double Data Rate- Synchronous DRAM）

DDRは、メモリバスクロック信号での入出力のタイミングを倍にすることで、一定の時間内で通常のSDRAMの2倍の入出力動作をするものです。メモリバスクロックが200MHzに対応するDDR−SDRAMは、クロック400MHzに対応することができます。
また、SD-RAMは外部クロックに同期して動作するDRAMで、最大データ転送速度などの性能が高くなっているのが特徴です。市販のDDR-SDRAM DIMMは、対応するクロックで表示される場合(表示1)と最大データ転送幅(表示2)で表示される場合と両方あります。
同じものなので、計算の仕方を覚えておくとよいでしょう。

DDR-SDRAM DIMM以外のメモリ（例えば、SD-RAM DIMM）は多くの場合メモリクロックの周波数で表されています。

これからのメモリ

DDR2は、DDRをさらに安定・高速化しています。DDRの長所を受け継ぎながら、さらにDRAM内部の記憶回路に対して外部インターフェースの速度を4倍（DDRは2倍）に高めたり、より高いクロックに対応できるように信号の振幅電圧を下げたり、転送プロトコルを簡素化したり、といった細かい工夫がなされています。
現在、DDR2-667、DDR2-533とDDR2-400の3種類が市場に出回っています。DDR2の後ろの数字は動作クロック（MHz）を表しています。
DDR2-667、DDR2-533、DDR2-400を用いたDIMMは、それぞれPC2-5300、PC2-4300、PC2-3200と呼ばれています。PC2の後の数字は、DIMMの最大データ転送速度（MB/秒）を表しています。
2006年にはDDR3が登場の予定です。駆動電圧を1.5Vに下げ、DDRで2倍、DDR2で4倍になった入出力速度が8倍速になります。動作周波数は1066MHz相当から登場するでしょう。ただし、DDR3になるとマザーボードに装着できるモジュールの本数が1〜2本になるといわれています。これは、現在のメモリの装着方法ではDDR3のような高速なメモリには対応できないからです。そこで注目されているのがFB(Fully Buffered）DIMMです。メモリモジュールにバッファを搭載し、シリアルインターフェースでチップセットとDIMM上のバッファ、DIMM上のバッファと別のDIMMのバッファというように1本の伝送路で結びます。信号の分岐がなく、信号の反射が抑えられ、安定した動作が得られます。
今後、注目されているのがFeRAM（Ferroelectric RAM），MRAM（Magnetic RAM）といった新しいメモリチップです。
例えば、DRAM やSRAMの長所を持ちながらも、不揮発性という万能選手のようなメモリが提案されています。強誘電体メモリ（FeRAM）と磁性体メモリ（MRAM）です。読出し／書込み共に高速で，書換え可能回数も十分といわれます。コストの問題など、まだこれからの技術ですがすばらしい可能性を秘めています。
メモリは今後も高速・高集積化・大容量化を続けていくものと思われます。コンピュータをはじめとして、生活のあらゆる場面に必要とされます。ユビキタスを支える大切なデバイスです。

	第1回   そもそもコンピュータって何だった？	第2回   働きをおさらいする
	第3回   主役はCPU	第4回   名脇役メモリ
	第5回   入力装置	第6回   出力装置
	第7回   情報を貯蔵する（補助記憶装置）	第8回   情報を持ち歩く（補助記憶装置2）
	第9回   CPUを支える舞台装置	第10回   動作を支える舞台装置
	第11回   PCを取り巻く規格の話	第12回   PCの新しいスタイル