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考えてみると、私たちが日常生活で遭遇する電子メモリの種類の多さには驚くばかりです。それらの多くは私たちの語彙に不可欠な部分となっています。

目の前のコンピュータにはメモリがあることはすでにわかっています。あまり知られていないかもしれませんが、あなたが毎日使用している電子機器のほとんどには何らかの形のメモリも搭載されています。以下に、メモリを使用する多くの項目のほんの一例を示します。

この記事では、メモリにはさまざまな種類がある理由と、すべての用語の意味について説明します。次のページでは、基本的なことから始めましょう。コンピュータのメモリは正確に何をするのでしょうか?

コンピューターのメモリの基本

メモリは技術的にはあらゆる形式の電子ストレージですが、最も多くの場合、高速で一時的な形式のストレージを識別するために使用されます。コンピューターのCPU が必要なデータをすべて取得するためにハード ドライブに常にアクセスする必要がある場合、CPU の動作は非常に遅くなります。情報がメモリに保持されると、CPU はより迅速に情報にアクセスできるようになります。ほとんどの形式のメモリは、データを一時的に保存することを目的としています。

CPU は、明確な階層に従ってメモリにアクセスします。永続ストレージ (ハード ドライブ) からのものであっても、入力 (キーボード) からのものであっても、ほとんどのデータは最初にランダム アクセス メモリ( RAM ) に保存されます。次に、CPU はアクセスする必要があるデータをキャッシュに保存し、特定の特殊な命令をレジスタに保持します。キャッシュとレジスタについては後ほど説明します。

CPU、ハードドライブ、オペレーティングシステムなど、コンピュータ内のすべてのコンポーネントはチームとして連携し、メモリはこのチームの最も重要な部分の 1 つです。コンピューターの電源を入れた瞬間からシャットダウンするまで、CPU は常にメモリを使用します。典型的なシナリオを見てみましょう。

上記のリストでは、何かがロードされるか開かれるたびに、それが RAM に配置されます。これは単に、CPU がその情報に簡単にアクセスできるように、情報がコンピュータの一時記憶領域に置かれたことを意味します。 CPU は必要なデータを RAM に要求し、それを処理して、連続サイクルで新しいデータを RAM に書き込みます。ほとんどのコンピューターでは、CPU と RAM の間でのこのデータのシャッフルが毎秒何百万回も発生します。アプリケーションを閉じると、通常、アプリケーションとそれに付随するファイルは RAM からパージ (削除) され、新しいデータ用のスペースが確保されます。変更されたファイルは、パージされる前に永続ストレージ デバイスに保存されないと、失われます。

デスクトップ コンピュータに関してよく聞かれる質問の 1 つは、「なぜコンピュータにはこれほど多くのメモリ システムが必要なのですか?」というものです。

コンピュータのメモリの種類

一般的なコンピュータには次の機能があります。

なぜそんなにたくさんあるのでしょうか？この質問への答えは、記憶について多くのことを教えてくれます。

高速で強力な CPU のパフォーマンスを最大化するには、大量のデータに迅速かつ簡単にアクセスする必要があります。 CPU が必要なデータを取得できない場合、CPU は文字通り停止してデータを待ちます。約1 ギガヘルツの速度で動作する最新の CPU は、大量のデータ (場合によっては 1 秒あたり数十億バイト)を消費する可能性があります。コンピュータ設計者が直面している問題は、1 ギガヘルツの CPU に対応できるメモリが非常に高価であることです。誰もが大量に購入できるよりもはるかに高価です。

コンピュータ設計者は、メモリを「階層化」することでコストの問題を解決しました。つまり、高価なメモリを少量使用し、それを大量の安価なメモリでバックアップしました。

現在広く使用されている読み取り/書き込みメモリの最も安価な形式は、ハードディスクです。ハードディスクは、安価で大量の永続的なストレージを提供します。ハードディスク容量は 1 メガバイトあたり 1 ペニーで購入できますが、ハードディスクから 1 メガバイトを読み取るにはかなりの時間が (1 秒近く) かかる場合があります。ハードディスク上の記憶領域は非常に安価で豊富であるため、仮想メモリと呼ばれる CPU のメモリ階層の最終段階を形成します。

階層の次のレベルはRAMです。 RAM については「RAM の仕組み」で詳しく説明しますが、ここでは RAM に関するいくつかの重要な点が重要です。

CPU のビット サイズは、 RAM から同時にアクセスできる情報のバイト数を示します。たとえば、16 ビット CPU は一度に 2 バイトを処理でき (1 バイト = 8 ビット、つまり 16 ビット = 2 バイト)、64 ビット CPU は一度に 8 バイトを処理できます。

メガヘルツ(MHz) は、CPU の処理速度、つまりクロック サイクルを1 秒あたり数百万単位で表す単位です。つまり、32 ビット 800 MHz Pentium III は、4 バイトを同時に 1 秒あたり 8 億回処理できる可能性があります (おそらくパイプライン処理に基づいてさらに多くの回数)。メモリ システムの目標は、これらの要件を満たすことです。

コンピューターのシステム RAM だけでは、CPU の速度に匹敵するほど高速ではありません。そのため、キャッシュが必要になります (後述)。ただし、RAM が速ければ速いほど良いです。現在、ほとんどのチップは 50 ～ 70 ナノ秒のサイクル レートで動作します。読み取り/書き込み速度は通常、DRAM、SDRAM、RAMBUS など、使用される RAM の種類によって決まります。これらのさまざまな種類の記憶については後ほど説明します。

まず、システム RAM について説明します。

システムRAM

システム RAM の速度は、バス幅とバス速度によって制御されます。バス幅は CPU に同時に送信できるビット数を指し、バス速度は 1 秒あたりにビットのグループを送信できる回数を指します。バス サイクルは、データがメモリから CPU に転送されるたびに発生します。たとえば、100 MHz 32 ビット バスは理論上、4 バイト (32 ビットを 8 で割った = 4 バイト) のデータを 1 秒あたり 1 億回 CPU に送信できますが、66 MHz 16 ビット バスは、 2 バイトのデータを 1 秒あたり 6,600 万回。計算してみると、この例では、バス幅を 16 ビットから 32 ビットに、速度を 66 MHz から 100 MHz に変更するだけで、3 倍のデータ量 (4 億バイト対 1 億 3,200 万バイト) が可能になることがわかります。毎秒CPUにパススルーします。

実際には、RAM は通常、最適な速度で動作するわけではありません。レイテンシは方程式を根本的に変えます。レイテンシは、情報ビットを読み取るのに必要なクロック サイクル数を指します。たとえば、定格 100 MHz の RAM は 0.00000001 秒でビットを送信できますが、最初のビットの読み取りプロセスを開始するまでに 0.00000005 秒かかる場合があります。レイテンシを補正するために、CPU はバースト モードと呼ばれる特別な技術を使用します。

バースト モードは、CPU が要求したデータが連続したメモリ セルに格納されるという期待に依存します。メモリ コントローラは、CPU が処理しているものはすべて、この同じ一連のメモリ アドレスから引き続き取得されると想定しているため、連続するいくつかのビットのデータをまとめて読み取ります。これは、最初のビットのみがレイテンシの影響を完全に受けるということを意味します。連続ビットの読み取りにかかる時間が大幅に短縮されます。メモリの定格バースト モードは通常、ダッシュで区切られた 4 つの数字で表されます。最初の数字は、読み取り操作を開始するために必要なクロック サイクル数を示します。 2 番目、3 番目、および 4 番目の数値は、ワードラインとも呼ばれる行内の連続する各ビットを読み取るのに必要なサイクル数を示します。たとえば、5-1-1-1 は、最初のビットを読み取るのに 5 サイクルかかり、その後の各ビットに 1 サイクルかかることを示します。明らかに、これらの数値が低いほど、メモリのパフォーマンスが向上します。

バースト モードは、遅延の影響を最小限に抑える別の手段であるパイプライン処理と組み合わせて使用​​されることがよくあります。パイプライン化は、データの取得を一種の組み立てライン プロセスにまとめます。メモリ コントローラは、メモリから 1 つ以上のワードを読み取り、現在の 1 つ以上のワードを CPU に送信し、1 つ以上のワードをメモリ セルに書き込みます。バースト モードとパイプラインを組み合わせて使用​​すると、レイテンシによる遅延を大幅に削減できます。

では、なぜ入手可能な中で最も高速で最も広いメモリを購入しないのでしょうか?メモリのバスの速度と幅はシステムのバスと一致する必要があります。 100 MHz で動作するように設計されたメモリを 66 MHz システムで使用できますが、バスの 66 MHz 速度で動作するためメリットがなく、32 ビット メモリは 16 ビット メモリには適合しません。バス。

バスが広くて速い場合でも、メモリ カードから CPU にデータが届くのに、CPU が実際にデータを処理するのにかかる時間よりも時間がかかります。そこでキャッシュが登場します。

キャッシュとレジスタ

キャッシュは、 CPU が最も頻繁に使用するデータを即座に利用できるようにすることで、このボトルネックを軽減するように設計されています。これは、プライマリキャッシュまたはレベル 1キャッシュとして知られる少量のメモリを CPU に直接構築することによって実現されます。レベル 1 キャッシュは非常に小さく、通常は 2 キロバイト (KB) ～ 64 KB の範囲です。

二次キャッシュまたはレベル 2キャッシュは通常、CPU の近くにあるメモリ カードに常駐します。レベル 2 キャッシュは CPU に直接接続されています。マザーボード上の専用集積回路であるL2 コントローラーは、CPU によるレベル 2 キャッシュの使用を制御します。 CPU に応じて、レベル 2 キャッシュのサイズは 256 KB ～ 2 メガバイト (MB) の範囲になります。ほとんどのシステムでは、CPU が必要とするデータは時間の約 95% でキャッシュからアクセスされ、CPU がメイン メモリからのデータを待機する必要があるときに必要なオーバーヘッドが大幅に削減されます。

一部の安価なシステムでは、レベル 2 キャッシュがまったく不要になります。現在、多くの高性能 CPU には、CPU チップ自体にレベル 2 キャッシュが実際に組み込まれています。したがって、レベル 2 キャッシュのサイズと、それがオンボード(CPU 上) にあるかどうかが、CPU のパフォーマンスの主な決定要素となります。キャッシュの詳細については、 「キャッシュの仕組み」を参照してください。

特定の種類のRAMであるスタティック ランダム アクセス メモリ(SRAM) は、主にキャッシュに使用されます。 SRAM は、メモリ セルごとに複数のトランジスタ (通常は 4 ～ 6 個) を使用します。 2 つの状態の間でスイッチ、つまりフリップフロップを行う双安定マルチバイブレータとして知られる外部ゲートアレイを備えています。これは、DRAM のように継続的にリフレッシュする必要がないことを意味します。各セルは電力がある限りデータを維持します。定期的にリフレッシュする必要がなく、SRAM は非常に高速に動作します。しかし、各セルは複雑であるため、標準 RAM として使用するには法外に高価になります。

メモリの最後のステップはレジスタです。これらは CPU に直接組み込まれたメモリ セルで、CPU、特に算術論理演算装置(ALU) が必要とする特定のデータが含まれています。これらは CPU 自体の不可欠な部分であり、CPU が処理する情報を送信するコンパイラーによって直接制御されます。レジスタの詳細については、 「マイクロプロセッサの仕組み」を参照してください。

コンピューター メモリに関する便利な印刷可能なガイドとして、 「コンピューター入門」 を印刷できます。

私たちは、デジタル写真、音楽ファイル、文書処理文書、PDF、その他数え切れ​​ないほどのメディア形式など、あらゆる種類のファイルをコンピュータに保存し、転送しています。しかし、コンピュータのハード ドライブに情報が正確に保存されていない場合もあります。システムに保存されているファイルのバックアップ コピーを作成したい場合でも、セキュリティが心配な場合でも、フラッシュ メモリと呼ばれる電子メモリの一種を使用するポータブル ストレージ デバイスが適切なソリューションとなる可能性があります。

電子メモリは、さまざまな目的に応じてさまざまな形式で提供されます。フラッシュ メモリは、コンピュータ、デジタル カメラ、家庭用ビデオ ゲーム機で簡単かつ高速に情報を保存するために使用されます。 RAMとしてよりもハード ドライブのように使用されます。実際、フラッシュ メモリはソリッド ステートストレージ デバイスとして知られており、可動部品がなく、すべてが機械的ではなく電子的であることを意味します。

フラッシュ メモリの例をいくつか示します。

フラッシュ メモリはEEPROMチップの一種で、 Electronically Erasable Programmable Read Only Memoryの略です。列と行のグリッドがあり、各交点に 2 つのトランジスタを持つセルがあります (下の図を参照)。

2 つのトランジスタは薄い酸化物層によって互いに分離されています。トランジスタの 1 つはフローティング ゲートとして知られ、もう 1 つはコントロール ゲートと呼ばれます。フローティング ゲートの行またはワード線への唯一のリンクは、コントロール ゲートを介するものです。このリンクが存在する限り、セルの値は 1 になります。値を 0 に変更するには、ファウラー・ノルドハイム・トンネリングと呼ばれる興味深いプロセスが必要です。

この記事では、フラッシュ メモリがどのように機能するかを調べ、その形式とそれを使用するデバイスの種類をいくつか見ていきます。次に、トンネリングについて詳しく説明します。

フラッシュ メモリ: トンネリングと消去

トンネリングは、フローティングゲート内の電子の配置を変更するために使用されます。通常 10 ～ 13 ボルトの電荷がフローティング ゲートに印加されます。電荷は列またはビット線から来て、フローティング ゲートに入り、グランドに排出されます。

この電荷により、フローティング ゲート トランジスタが電子銃のように動作します。励起された電子は押し出され、薄い酸化物層の反対側に捕獲され、酸化物層に負の電荷が与えられます。これらの負に帯電した電子は、コントロール ゲートとフローティング ゲートの間の障壁として機能します。セルセンサーと呼ばれる特別なデバイスが、フローティングゲートを通過する電荷のレベルを監視します。ゲートを通過する流量が 50 パーセントのしきい値を超える場合、値は 1 になります。通過する電荷が 50 パーセントのしきい値を下回ると、値は 0 に変わります。空の EEPROM では、すべてのゲートが完全に開いています。各セルに値 1 を与えます。

フラッシュ メモリ チップのセル内の電子は、電界、つまり高電圧の充電を適用することによって、通常 (「1」) に戻すことができます。フラッシュメモリは、回路内配線を使用して、チップ全体またはブロックとして知られる所定のセクションに電界を印加します。これにより、チップの対象領域が消去され、再書き込みが可能になります。フラッシュ メモリは、一度に 1バイトずつ消去するのではなく、ブロックまたはチップ全体を消去してから再書き込みするため、従来の EEPROM よりもはるかに高速に動作します。

プリセットをプログラムでき、ラジオがそれを記憶しているため、カーラジオにはフラッシュ メモリが搭載されていると思うかもしれません。しかし、実際にはフラッシュ RAMが使用されています。違いは、フラッシュ RAM はその内容を維持するためにある程度の電力が必要であるのに対し、フラッシュ メモリは外部電源なしでデータを維持できることです。電源をオフにしても、カーラジオはフラッシュ RAM にデータを保存するために微量の電流を流しています。車のバッテリーが切れたり、配線が切断されたりすると、ラジオのプリセットが失われるのはそのためです。

取り外し可能なフラッシュ メモリ カード

ハードディスクの代わりにフラッシュ メモリを使用する理由はいくつかあります。

では、なぜすべてにフラッシュメモリを使用しないのでしょうか?ハードディスクのメガバイトあたりのコストが大幅に安くなり、容量が大幅に増加するためです。

スマートメディアとして知られるソリッド ステート フロッピー ディスク カード(SSFDC) は、もともと東芝によって開発されました。スマートメディア カードは、2 MB ～ 128 MB の範囲の容量で使用できます。カード自体は非常に小さく、長さ約 45 mm、幅 37 mm、厚さは 1 mm 未満です。

以下に示すように、スマートメディア カードは非常にシンプルです。平面電極はボンディング ワイヤによってフラッシュ メモリ チップに接続されます。フラッシュメモリチップ、平面電極、ボンディングワイヤは、オーバーモールド薄型パッケージ（OMTP）と呼ばれる技術を用いて樹脂に埋め込まれています。これにより、はんだ付けを必要とせずに、すべてを単一のパッケージに統合することができます。

OMTP モジュールはベース カードに接着されて実際のカードを作成します。カードがデバイスに挿入されると、電力とデータが電極によってフラッシュ メモリ チップに伝送されます。切り欠きのある角は、スマートメディア カードの電力要件を示します。電極を上にしてカードを見て、ノッチが左側にある場合、カードには 5 ボルトが必要です。ノッチが右側にある場合は、3.3 ボルトが必要です。

スマートメディア カードは、小さなブロック (256 バイトまたは 512 バイト増分) でメモリの消去、書き込み、読み取りを行います。このアプローチは、保存したいデータを指定できる一方で、高速で信頼性の高いパフォーマンスが可能であることを意味します。これらは、他の形式のリムーバブル ソリッド ステート ストレージよりも堅牢ではないため、取り扱いと保管には十分な注意が必要です。 xD-ピクチャー カードやセキュア デジタル カードなど、より大きな記憶容量を備えた新しい小型カードの登場により、東芝はスマートメディア カードの製造を実質的に中止したため、現在では入手が困難になっています。

コンパクトフラッシュカードは 1994 年にサンディスクによって開発され、次の 2 つの重要な点でスマートメディア カードとは異なります。

CompactFlash は、フラッシュ メモリ チップと専用コントローラ チップを備えた小さな回路基板で構成されており、これらはすべてスマートメディア カードよりも厚い頑丈なシェルに収められています。コンパクトフラッシュ カードは幅 43 mm、長さ 36 mm で、厚さは 2 種類あります。タイプ Iカードは厚さ 3.3 mm、タイプ IIカードは厚さ 5.5 mm です。

CompactFlash カードはデュアル電圧をサポートしており、3.3 ボルトまたは 5 ボルトで動作します。

カードの厚みが増したことにより、スマートメディア カードよりも大きな記憶容量が可能になります。コンパクトフラッシュのサイズは 8 MB から最大 100 GB まであります。オンボード コントローラーは、特に低速プロセッサを搭載したデバイスのパフォーマンスを向上させることができます。スマートメディア カードと比較すると、ケースとコントローラ チップにより、コンパクトフラッシュ カードのサイズ、重量、複雑さが増加します。

フラッシュメモリの規格

スマートメディアとコンパクトフラッシュ、および PCMCIA Type I および Type II メモリ カードは、パーソナル コンピュータ メモリ カード国際協会(PCMCIA) によって開発された標準に準拠しています。これらの規格により、コンパクトフラッシュおよびスマートメディア製品をさまざまなデバイスで簡単に使用できます。標準のフロッピー ドライブ、 USB ポート、または PCMCIA カード スロット (一部のラップトップ コンピュータで利用可能) を介してこれらのカードにアクセスできるようにするアダプタを購入することもできます。たとえば、ソニーの初代 PlayStation および PlayStation 2 用のゲームは、最新のコンソールである PlayStation 3 と下位互換性がありますが、古いシステムで使用されていたメモリ カード用のスロットはありません。セーブしたゲーム データを最新のシステムにインポートしたいゲーマーは、アダプターを購入する必要があります。ソニーのメモリースティックは、ソニーが提供するさまざまな製品で入手可能であり、現在では他のメーカーの製品にも登場しています。

標準は盛んですが、一部のビデオ ゲーム システムのメモリ カードなど、本質的に完全に独自のフラッシュ メモリ製品も数多くあります。しかし、電子コンポーネントがますます交換可能になり、( Bluetoothなどの技術を介して) 相互に通信できるようになったことで、標準化されたリムーバブル メモリにより、世界を手元に置いておくことができるようになるということは知っておくと良いでしょう。

2006 年 9 月、サムスンはPRAM (相変化ランダム アクセス メモリ) の開発を発表しました。この新しいタイプのメモリは、RAM の高速処理速度とフラッシュ メモリの不揮発性機能を組み合わせたもので、「パーフェクト RAM」というニックネームを付ける人もいます。 PRAM は従来のフラッシュ メモリよりも 30 倍高速で、10 倍の寿命があるとされています。 Samsung は、2010 年に容量 512 MB の最初の PRAM チップを市販する予定です 。おそらく携帯電話やその他のモバイル機器で使用され、フラッシュ メモリを完全に置き換える可能性もあります。