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リムーバブル ストレージは、コンピュータ自体とほぼ同じくらい歴史があります。初期のリムーバブル ストレージは、オーディオ カセットで使用されているような磁気テープをベースにしていました。それ以前は、情報を保存するために紙のパンチカードを使用していたコンピューターもありました。

私たちはパンチカードの時代から長い道のりを歩んできました。新しいリムーバブル ストレージ デバイスは、単一のディスク、カセット、カード、またはカートリッジに数百メガバイト (さらにはギガバイト) のデータを保存できます。この記事では、3 つの主要なストレージ テクノロジについて学びます。また、各テクノロジーを使用するデバイスと、このメディアの将来についても説明します。まずは、リムーバブル ストレージが必要な理由を見てみましょう。

ポータブルメモリ

リムーバブル ストレージが役立つ理由はいくつかあります。

最新のリムーバブル ストレージ デバイスには、標準的なフロッピーの 1.44 メガバイト (MB) から一部のポータブル ドライブの 20 ギガバイト (GB) 以上の容量まで、驚くほど多くのオプションが用意されています。これらのデバイスはすべて、次の 3 つのカテゴリのいずれかに分類されます。

次のセクションでは、これらの各テクノロジーについて詳しく見ていきます。

磁気ストレージ

リムーバブル ストレージ テクノロジの最も一般的で永続的な形式は、磁気ストレージです。たとえば、3.5 インチ ディスケットを使用する 1.44 MB フロッピー ディスク ドライブは約 15 年前から存在しており、現在でも販売されているほぼすべてのコンピュータに搭載されています。ほとんどの場合、リムーバブル磁気ストレージは、コンピューターに接続する機械デバイスであるドライブを使用します。実際に情報を保存する部分であるメディアをドライブに挿入します。

ハードドライブと同様に、リムーバブル磁気記憶装置で使用されるメディアは酸化鉄でコーティングされています。この酸化物は強磁性体であり、磁場にさらされると永久磁化されます。メディアは通常、ディスクまたはカートリッジと呼ばれます。ドライブはモーターを使用してメディアを高速回転させ、ヘッドと呼ばれる小さなデバイスを使用して保存された情報にアクセス (読み取り) します。

各ヘッドには小さな電磁石があり、ワイヤーが巻かれた鉄芯で構成されています。電磁石は媒体上の酸化物に磁束を加え、酸化物は見た磁束を永久に「記憶」します。書き込み中、データ信号はワイヤのコイルを介して送信され、コア内に磁場が生成されます。ギャップでは磁束が縞模様を形成します。このパターンがギャップを橋渡しし、磁束が媒体上の酸化物を磁化します。ドライブによってデータが読み取られるとき、読み取りヘッドはギャップ全体に変化する磁界を引き込み、コア内に変化する磁界を生成し、したがってコイル内に信号を生成します。この信号はバイナリ データとしてコンピュータに送信されます。

磁気: 直接アクセス

磁気ディスクまたは磁気カートリッジには、いくつかの共通点があります。

オーディオ カセットを使用したことがある方なら、オーディオ カセットには大きな欠点があることをご存知でしょう。それはシーケンシャルデバイスであるということです。テープには始まりと終わりがあり、テープを後の曲に移動するには、早送りボタンと巻き戻しボタンを使用して曲の始まりを見つける必要があります。これはテープヘッドが固定されているためです。

カセット テープと同様、ディスクまたはカートリッジは、両面に磁性材料がコーティングされた薄いプラスチックで作られています。ただし、細長いリボンではなく、円盤のような形をしています。トラックは同心円状に配置されているため、ソフトウェアはファイル 2 ～ 18 を早送りすることなく、「ファイル 1」から「ファイル 19」にジャンプできます。ディスクまたはカートリッジはレコードのように回転し、ヘッドが正しいトラックに移動します。いわゆるダイレクトアクセスストレージを提供します。一部のリムーバブル デバイスには、ハード ドライブのセットアップと同様に、実際には磁気ディスクのプラッターが搭載されています。テープは、サーバーのハードドライブのバックアップなど、データへの迅速なアクセスが必須ではない一部の長期ストレージに今でも使用されています。

読み取り/書き込みヘッド (「書き込み」とはストレージ メディアに新しい情報を保存すること) は、ヘッドがトラック間を移動するときにメディアに触れません。通常、ディスクまたはカートリッジへの書き込みを保護するために設定できる何らかのメカニズムが存在します。たとえば、電子光学系は、3.5 インチ ディスケットの下隅に開口部 (または 5.25 インチ ディスケットの側面にある切り込み) の存在をチェックして、ユーザーがデータの書き込みを禁止したいかどうかを確認します。 。

磁気: ジッパー

長年にわたり、磁気技術は大幅に進歩しました。フロッピー ディスクは非常に人気があり、低コストであるため、大容量のリムーバブル ストレージはフロッピー ドライブを完全に置き換えることはできませんでした。しかし、それ自体で非常に人気のある代替手段が数多くあります。その一例が Iomega のZipです。

Zip ディスクとフロッピー ディスクを区別する主な要素は、使用されている磁気コーティングです。 Zip ディスクでは、コーティングの品質がはるかに高くなっています。高品質のコーティングは、Zip ディスクの読み取り/書き込みヘッドをフロッピー ディスクよりも大幅に (10 分の 1 程度) 小さくできることを意味します。ヘッドが小さいということは、ハードディスクで使用されているものと同様のヘッド位置決め機構と組み合わせることで、Zip ドライブがディスク表面に 1 インチあたり数千のトラックを詰め込むことができることを意味します。また、Zip ドライブは、ディスク領域を最大限に活用するために、トラックごとに可変のセクター数を使用します。これらすべての機能を組み合わせると、膨大な量のデータ (現時点では最大 750 MB) を保持するフロッピー ディスクが作成されます。

磁気: カートリッジ

リムーバブル ストレージに磁気テクノロジーを使用するもう 1 つの方法は、基本的にハードディスクを取り出して、それを内蔵ケースに入れることです。この方法を使用してより成功した製品の 1 つが Iomega Jaz です。各ジャズ カートリッジは基本的に、ハード プラスチック ケースに収められた複数のプラッターを備えたハードディスクです。カートリッジには、ディスクを回転させるためのヘッドもモーターも含まれていません。これらのアイテムは両方ともドライブユニット内にあります。

磁気: ポータブル ドライブ

完全に外付けのポータブル ハード ドライブは、 USBテクノロジーのおかげで急速に人気が高まっています。これらのユニットは、一般的な PC 内のユニットと同様に、ドライブ機構とメディアがすべて 1 つの密閉ケースに収められています。ドライブは USB ケーブルを介して PC に接続され、ドライバー ソフトウェアが初めてインストールされると、Windows によって利用可能なドライブとして自動的にリストされます。

別のタイプのポータブル ハード ドライブは、マイクロドライブと呼ばれます。これらの小型ハード ドライブはPCMCIA カードに組み込まれており、ラップトップ コンピュータなどの PCMCIA スロットを持つあらゆるデバイスに接続できます。

磁気ストレージの詳細については、 「ハードディスクの仕組み」および「テープ レコーダーの仕組み」を参照してください。光ストレージ技術について詳しくは、次のページをご覧ください。

光ストレージ

私たちのほとんどがよく知っている光記憶装置は、コンパクト ディスク(CD) です。 CD は、非常に安価に製造できる非常に小さな表面に大量のデジタル情報 (783 MB) を保存できます。これを可能にする設計は単純です。CD の表面は、長くしっかりと巻かれた螺旋状に配置された数十億の小さな突起で覆われた鏡です。 CD プレーヤーは、正確なレーザーで凹凸を読み取り、情報をデータのビットとして解釈します。

CD の凹凸の螺旋は中心から始まります。 CD トラックは非常に小さいため、ミクロン(100 万分の 1 メートル) 単位で測定する必要があります。 CD トラックの幅は約 0.5 ミクロンで、トラック間の間隔は 1.6 ミクロンです。細長いバンプはそれぞれ幅 0.5 ミクロン、長さは最小 0.83 ミクロン、高さは 125ナノメートル(10 億分の 1 メートル) です。

CD の質量の大部分は、厚さ約 1.2 ミリメートルの透明なポリカーボネート プラスチックの射出成形品です。製造中に、このプラスチックには、長い螺旋状のトラックを構成する微細な凹凸が形成されます。次に、ディスクの上部に薄い反射アルミニウム層がコーティングされ、バンプが覆われます。 CD テクノロジーの難しい部分は、すべての小さなバンプを適切な順序で、適切な速度で正しく読み取ることです。これらすべてを行うには、CD プレーヤーがバンプのトラックにレーザーの焦点を合わせる際に、非常に正確である必要があります。

CD を再生すると、レーザー ビームが CD のポリカーボネート層を通過し、アルミニウム層で反射して、光の変化を検出する光電子デバイスに当たります。バンプは、ランドと呼ばれるアルミニウム層の平らな部分とは異なる方法で光を反射します。光電子センサーはこれらの反射率の変化を検出し、CD プレーヤー ドライブの電子機器がその変化をデータ ビットとして解釈します。

光学式: CD-R/CD-RW

これが通常の CD の仕組みであり、パッケージ化されたソフトウェアには最適ですが、独自のファイルのリムーバブル ストレージとしてはまったく役に立ちません。そこで登場するのが、 CD 書き込み可能(CD-R) とCD 書き換え可能(CD-RW) です。

CD-R は、通常の CD のアルミニウム層を有機色素化合物で置き換えることによって機能します。この化合物は通常は反射性ですが、レーザーがスポットに焦点を合わせて特定の温度に加熱すると、染料が「燃焼」して暗くなります。 CD-R に書き込んだデータを取得する場合、レーザーはディスク上を後方に移動し、焼けた各スポットを隆起であるとみなします。この方法の問題は、CD-R にデータを 1 回しか書き込めないことです。染料が部分的に焼けてしまうと、元に戻すことはできません。

CD-RW は、アンチモン、インジウム、銀、テルルの非常に特殊な混合物に依存する相変化を使用することでこの問題を解決します。この特定の化合物には驚くべき特性があります。ある温度まで加熱すると、冷えるにつれて結晶化し、非常に反射率が高くなります。別のより高い温度に加熱すると、化合物は冷えても結晶化しないため、外観が鈍くなります。

CD-RW ドライブには、この特性を利用するための 3 つのレーザー設定があります。

DVDなど、CD 標準から逸脱する他の光学デバイスは、CD-R および CD-RW と同等のアプローチを採用しています。光磁気(MO) と呼ばれる古いハイブリッド技術は、現在ではほとんど使用されていません。 MO はレーザーを使用してメディアの表面を加熱します。表面が特定の温度に達すると、磁気ヘッドが媒体上を移動し、必要に応じて粒子の極性を変更します。

ソリッドステートストレージ

デジタル カメラやPDAなどの小型デバイス用のリムーバブル ストレージの非常に一般的なタイプは、フラッシュ メモリです。フラッシュ メモリはソリッド ステート テクノロジの一種であり、基本的には可動部品がないことを意味します。チップ内には列と行のグリッドがあり、グリッド上の各交点に 2 つのトランジスタ セルがあります。 2 つのトランジスタは薄い酸化物層によって分離されています。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 ゲートとして知られています。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。

セルの値を「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。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。励起されて負に帯電した電子は押し出され、酸化物層の反対側に捕獲され、酸化物層は負の電荷を帯びます。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デバイスは、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電荷の 50 パーセントを超える場合、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。

フラッシュ メモリはファウラー ノルドハイム トンネリングを使用します

電子の配置を変えるため。

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、この電界をチップ全体、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するため、従来の電気的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ(EEPROM) チップよりもはるかに高速に動作します。

ソリッドステート: カード

コンパクトフラッシュやスマートメディアカードなどのフラッシュ メモリ ストレージ デバイスは、今日最も一般的な形式の電子不揮発性メモリです。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ました。コンパクトフラッシュ カードは、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。それは、より厚いことと、コントローラー チップを使用していることです。

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 カードよりも数倍厚い頑丈なシェルに収められています。カードの厚みが増すことで、より大きな記憶容量が可能になります。

CompactFlash のサイズは、8 MB から驚異的なサイズまでさまざまです。オンボード コントローラーは、特に遅い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。ただし、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。

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。以下に示すように、カード自体は非常に小さいです。

スマートメディア カードは、そのシンプルさがエレガントです。平面電極はボンディングワイヤを使用し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。

スマートメディア カードは、高速で信頼性の高いパフォーマンスを実現しながら、保持したいデータを指定できます。小型、軽量で使いやすいです。他の形式のリムーバブル ソリッド ステート ストレージに比べて堅牢性が低いため、取り扱いや保管には細心の注意を払う必要があります。詳細については、 「フラッシュ メモリの仕組み」を参照してください。

どこまで小さくできるのか？

リムーバブル ストレージの一般的な傾向の 1 つは、保存できるデータ量を増やしながら物理パッケージを小さくすることです。それぞれのタイプのテクノロジーの例を見てみましょう。

磁気

磁気ストレージは 2 つの平行な方向に移動します。メガバイト単位の容量を持つ小型カートリッジを使用する製品が発売されており、ギガバイト単位のポータブル ハード ドライブもあります。

光学

DataPlayという会社がマイクロ光学ドライブを導入しました。マッチ箱ほどの大きさのこの小さなドライブは、プラスチックのシェルに包まれた小さな光ディスクを使用します。各ディスクには 500 MB の情報を保存できます。ドライブは実際にディスクの両面を読み取ります。つまり、ディスクには片面あたり 250 MB が保存されます。

ソリッドステート

スマートメディアおよびコンパクトフラッシュ カードは、その小さなサイズを維持しながら容量が増加し続けています。 Sony のMemory Stickなど、他のソリッドステート メモリ デバイスはさらに小型です。

私たち全員にとって素晴らしいニュースは、物理サイズが縮小し続け、ストレージ容量が増加し続ける一方で、メガバイトあたりのコストが低下し続けているということです。 Iomega や Pockey Drives などの企業は、間もなくハード ドライブをコンピュータ間で持ち運べるようになり、カスタム セットアップ全体をどこにでも持ち運べるようになると予測しています。 DataPlay のマイクロ光学システムは、デジタル カメラからMP3 プレーヤー、 PDAに至るまで、あらゆるものにそのドライブが搭載されており、デスクトップ PC をはるかに超えて影響を与えるテクノロジーの好例です。

光を使用してデータの保存と読み取りを行うデバイスは、20 年近くにわたってデータ ストレージのバックボーンとなってきました。コンパクト ディスクは1980 年代初頭にデータ ストレージに革命をもたらし、直径わずか 12 センチ、厚さ約 1.2 ミリメートルのディスクに数メガバイトのデータを保存できるようになりました。 1997 年に、デジタル バーサタイル ディスク(DVD) と呼ばれる CD の改良版がリリースされ、1 枚のディスクに全長の映画を保存できるようになりました。

CD と DVD は、音楽、ソフトウェア、パーソナル コンピューティング、およびビデオの主要なデータ保存方法です。 CD には 783 メガバイトのデータを保存できます。これは約 1 時間 15 分の音楽に相当しますが、ソニーは 1.3 ギガバイト (GB) の大容量 CD を発売する計画を持っています。両面 2 層 DVD には 15.9 GB のデータを保存でき、これは約 8 時間の映画に相当します。これらの従来のストレージ メディアは今日のストレージ ニーズを満たしていますが、消費者の需要の増加に対応するにはストレージ テクノロジも進化する必要があります。 CD、DVD、および磁気ストレージはすべて、記録媒体の表面に情報のビットを保存します。ストレージ能力を高めるために、科学者たちは現在、ホログラフィックメモリと呼ばれる新しい光ストレージ方式の開発に取り組んでいます。この方式は、表面の下に潜り、記録媒体の表面積だけでなく、その体積をストレージに使用します。

3 次元データ ストレージは、より小さなスペースでより多くの情報を保存できるようになり、データ転送時間が短縮されます。この記事では、今後 3 ～ 4 年でホログラフィック ストレージ システムがどのように構築されるのか、またそのような高密度ストレージ システムのデスクトップ バージョンを作成するには何が必要になるのかを学びます。

ちょっとした背景

ホログラフィック メモリは、角砂糖サイズの結晶に 1 テラバイト (TB) のデータを保存できる可能性を提供します。 1 テラバイトのデータは、1,000 ギガバイト、100 万メガバイト、または 1 兆バイトに相当します。 1,000 枚を超える CD のデータがホログラフィック メモリ システムに収まります。ほとんどのコンピューターのハード ドライブは10 ～ 40 GB のデータしか保持できませんが、これはホログラフィック メモリ システムが保持できるデータのほんの一部です。

科学者のピーター J. ヴァン ヘルデンは、1960 年代初頭にホログラフィック (三次元) ストレージのアイデアを初めて提案しました。 10 年後、RCA 研究所の科学者たちは、鉄をドープしたニオブ酸リチウム結晶に 500 個のホログラムを記録し、感光性ポリマー材料に 550 個の高解像度画像を記録することで、この技術を実証しました。安価な部品の不足と磁気メモリと半導体メモリの進歩により、ホログラフィック データ ストレージの開発は保留されました。

過去 10 年間、国防高等研究計画局 () とハイテク大手 IBM およびルーセントのベル研究所が、ホログラフィック メモリ開発の復活を主導してきました。

基本

Lucent と IBM が開発したプロトタイプは若干異なりますが、ほとんどのホログラフィック データ ストレージ システム (HDSS) は同じ概念に基づいています。 HDSS を構築するために必要な基本コンポーネントは次のとおりです。

青緑色のアルゴン レーザーが発射されると、ビーム スプリッターが 2 つのビームを生成します。物体ビームまたは信号ビームと呼ばれる 1 つのビームは、直進し、1 つのミラーで反射し、空間光変調器(SLM) を通過します。 SLM は、生のバイナリ データのページを透明なボックスと暗いボックスとして表示する液晶ディスプレイ(LCD) です。バイナリ コードのページからの情報は、信号ビームによって感光性ニオブ酸リチウム結晶に伝えられます。一部のシステムでは、クリスタルの代わりにフォトポリマーを使用します。参照ビームと呼ばれる 2 番目のビームは、ビーム スプリッターの側面から射出され、結晶への別の経路をたどります。 2 つのビームが出会うと、生成される干渉パターンによって、信号ビームによって運ばれたデータが結晶内の特定の領域に保存されます。データはホログラムとして保存されます。

ホログラフィック メモリ システムの利点は、データのページ全体を一度に迅速に取得できることです。結晶に保存されたデータのホログラフィック ページを取得して再構成するには、そのデータ ページを保存するために参照光が入射したときとまったく同じ角度で参照光が結晶に照射されます。データの各ページは、参照ビームが当たる角度に基づいて、結晶の異なる領域に保存されます。再構成中、ビームは結晶によって回折され、保存されていた元のページが再作成されます。この再構成されたページは電荷結合素子 (CCD) カメラに投影され、デジタル情報が解釈されてコンピュータに転送されます。

ホログラフィック データ ストレージ システムの重要なコンポーネントは、データ ページを取得するために結晶に 2 番目の参照ビームを照射する角度です。元の参照ビームの角度と正確に一致する必要があります。わずか 1,000 分の 1 ミリメートルの差があると、そのページのデータを取得できなくなります。

デスクトップホログラフィックデータストレージ

30 年以上の研究開発を経て、デスクトップ ホログラフィック ストレージ システム (HDSS) が間近に迫っています。初期のホログラフィック データ ストレージ デバイスの容量は 125 GB、転送速度は 1 秒あたり約 40 MB です。最終的には、これらのデバイスのストレージ容量は 1 TB、データ レートは 1 秒あたり 1 GB 以上になり、 DVDムービー全体を 30 秒で転送できる速度になります。では、なぜ HDSS の開発にこれほど時間がかかったのでしょうか?何が残されているのでしょうか?

HDSS のアイデアが最初に提案されたとき、そのようなデバイスを構築するためのコンポーネントははるかに大きく、より高価でした。たとえば、1960 年代のこのようなシステムのレーザーの長さは 6 フィートでした。現在、家庭用電化製品の発展により、 CD プレーヤーで使用されているものと同様のレーザーを HDSS に使用できるようになりました。 LCD は 1968 年まで開発さえされず、最初のものは非常に高価でした。現在、LCD は 30 年前に開発されたものよりもはるかに安価で、より複雑になっています。さらに、 CCD センサーは過去 10 年まで利用できませんでした。 HDSS デバイスのほぼ全体が既製のコンポーネントから作成できるようになりました。これは、大量生産が可能であることを意味します。

現在、HDSS コンポーネントは 1960 年代に比べて入手しやすくなっていますが、解決する必要のある技術的問題がまだいくつかあります。たとえば、1 つのクリスタルに保存されるページが多すぎると、各ホログラムの強度が低下します。クリスタルに保存されているホログラムが多すぎて、ホログラムの取得に使用される参照レーザーが正確な角度で照射されていない場合、ホログラムは周囲に保存されている他のホログラムから多くの背景を拾うことになります。これらすべてのコンポーネントを低コストのシステムに統合することも課題です。

研究者らは、今後 2 ～ 3 年以内にこれらの課題に対処する技術が開発されると確信しています。このような技術が市場に出回れば、「スター・ウォーズ エピソード II」が家庭用 3D ディスクでリリースされるまでに、最初のホログラフィック メモリ プレーヤーを購入できるようになるでしょう。この DVD に似たディスクの容量は、現在入手可能な 4.7 GB DVD の 27 倍であり、再生デバイスのデータ レートは今日の最速 DVD プレーヤーの 25 倍です。

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。

仮想メモリは、デスクトップ コンピュータ上のほとんどのオペレーティング システムに共通の部分です。非常に低コストでユーザーに大きなメリットを提供できるため、これほど一般的になりました。

この記事では、仮想メモリとは何か、コンピュータが仮想メモリを何に使用するか、最適なパフォーマンスを達成するために自分のマシンで仮想メモリを構成する方法を正確に説明します。

現在のほとんどのコンピューターには、 CPUが使用できる 32 メガバイトまたは 64メガバイトの RAM が搭載されています (RAM の詳細については、 「RAM の仕組み」を参照してください)。残念ながら、その量の RAM は、ほとんどのユーザーが一度に実行することを期待しているすべてのプログラムを実行するには十分ではありません。

たとえば、オペレーティング システム、電子メール プログラム、Web ブラウザ、ワード プロセッサを同時に RAM にロードする場合、すべてを保持するには 32 メガバイトでは不十分です。仮想メモリのようなものが存在しなかった場合、使用可能な RAM がいっぱいになると、コンピュータは「申し訳ありませんが、これ以上アプリケーションを読み込むことはできません。別のアプリケーションを閉じて、新しいアプリケーションを読み込んでください。」と言わなければなりません。仮想メモリを使用すると、コンピュータは RAM で最近使用されていない領域を調べ、それらをハードディスクにコピーすることができます。これにより、新しいアプリケーションをロードするための RAM のスペースが解放されます。

このコピーは自動的に行われるため、コピーが行われていることに気付かず、コンピュータには 32 MB しかインストールされていないにもかかわらず、無制限の RAM スペースがあるように感じられます。ハードディスクの容量は RAM チップよりもはるかに安いため、経済的にも大きなメリットがあります。

ハード ドライブの読み取り/書き込み速度は RAM よりもはるかに遅く、ハード ドライブのテクノロジは一度に小さなデータにアクセスすることを目的としていません。システムが仮想メモリに過度に依存する必要がある場合、パフォーマンスが大幅に低下することに気づくでしょう。重要なのは、同時に作業する傾向にあるすべての作業を処理できる十分な RAM を備えていることです。そうすれば、仮想メモリの遅さを「感じる」のは、タスクを変更するときにわずかな一時停止があるときだけです。そのような場合には、仮想メモリが最適です。

そうでない場合、オペレーティング システムは RAM とハードディスクの間で情報を常に交換する必要があります。これはスラッシングと呼ばれ、コンピュータが信じられないほど遅く感じることがあります。

RAMイメージを保存するハードディスクの領域をページファイルと呼びます。ハードディスク上に RAM のページが保持され、オペレーティング システムはページ ファイルと RAM の間でデータを行き来します。 Windows マシンでは、ページ ファイルの拡張子は .SWP です。

次に、コンピューター上で仮想メモリを構成する方法を見ていきます。

仮想メモリの構成

Windows 98 は、仮想メモリを備えた典型的なオペレーティング システムの例です。 Windows 98 には、デフォルト設定を使用して Windows が必要に応じて仮想メモリ用のハード ドライブ領域を割り当てるのに役立つインテリジェントな仮想メモリ マネージャが備わっています。ほとんどの状況では、これでニーズが満たされますが、特に複数の物理ハード ドライブや速度が重要なアプリケーションがある場合は、仮想メモリを手動で構成することが必要な場合があります。

これを行うには、「コントロール パネル」ウィンドウを開き、「システム」アイコンをダブルクリックします。システムダイアログウィンドウが開きます。 「パフォーマンス」タブをクリックし、「仮想メモリ」ボタンをクリックします。

「独自の仮想メモリ設定を指定します」というオプションをクリックします。これにより、そのステートメントの下にあるオプションがアクティブになります。 「ハード ディスク:」の横のドロップダウン リストをクリックして、仮想メモリを構成するハード ドライブを選択します。経験則として、仮想メモリを物理ハード ディスク間で均等に分割することを覚えておいてください。

[最小:] ボックスに、指定したハード ディスク上の仮想メモリに使用するハード ドライブ領域の最小量を入力します。量はメガバイト単位です。 「C:」ドライブの場合、最小値は2 MBである必要があります。 「最大値:」の数値には任意の値を指定できますが、考えられる上限の 1 つは物理 RAM スペースの 2 倍です。 Windows のデフォルトは、通常、コンピュータの物理 RAM の容量より 12 メガバイト大きいです。新しい設定を有効にするには、ダイアログ ボックスを閉じてコンピュータを再起動します。

仮想メモリに割り当てるハードドライブの容量は重要です。割り当てが少なすぎると、「メモリ不足」エラーが発生します。仮想メモリのサイズを増やし続ける必要がある場合は、おそらく、システムの動作が遅くなり、ハード ドライブに絶えずアクセスしていることがわかります。その場合、RAM と仮想メモリの比率を約2:1に保つために、RAM を追加購入することを検討する必要があります。一部のアプリケーションは、多くの仮想メモリ空​​間を持つことを楽しんでいますが、そこにはあまりアクセスしません。その場合、大きなページング ファイルが適切に機能します。

仮想メモリのパフォーマンス (特に大量の仮想メモリが必要な場合) を向上させる 1 つの方法は、仮想メモリ ファイルの最小サイズと最大サイズを同じにすることです。これにより、マシンの起動時にオペレーティング システムがページング ファイル全体を強制的に割り当てます。これにより、プログラムの実行中にページング ファイルが大きくなる必要がなくなり、パフォーマンスが向上します。多くのビデオ アプリケーションでは、ハードディスクとテープの間でビデオ情報を読み書きする際の一時停止を避けるために、この手法を推奨しています。

仮想メモリのパフォーマンスのもう 1 つの要素は、ページファイルの場所です。システムに複数の物理ハード ドライブ (複数のドライブ文字ではなく、実際のドライブ) がある場合は、各ドライブ上でより小さいページファイルを作成することで、それらの間で作業を分散できます。この簡単な変更により、仮想メモリを多用するシステムの速度が大幅に向上します。

コンピュータを購入したことがある方なら、「キャッシュ」という言葉を聞いたことがあるでしょう。また、このテーマに関して善意の友人から「その Celeron チップは買わないでください。キャッシュが入っていないのです!」といったアドバイスを受けたことがあるかもしれません。では、そもそもキャッシュとは何でしょうか?

キャッシュは、あらゆるコンピューターにさまざまな形で現れる重要なコンピューター サイエンス プロセスであることがわかりました。最近のコンピューターには L1 キャッシュと L2 キャッシュの両方が搭載されており、多くのコンピューターには L3 キャッシュも搭載されています。メモリ キャッシュ、ページ キャッシュ、さらにはハードウェアとソフトウェアのディスク キャッシュもあります。仮想メモリもキャッシュの一種です。

この記事では、キャッシュとは何かを説明し、キャッシュがどのように機能するかを探って、キャッシュがなぜそれほど重要なのかを理解できるようにします。

簡単な例: キャッシュ前

キャッシュは、コンピュータのメモリ サブシステムに基づくテクノロジです。キャッシュの主な目的は、コンピュータの価格を低く抑えながらコンピュータを高速化することです。キャッシュを使用すると、コンピュータのタスクをより迅速に実行できるようになります。

キャッシュ システムの背後にある基本的な考え方を理解するために、ライブラリアンを使用してキャッシュの概念を示す非常に単純な例から始めましょう。机の後ろにいる図書館員を想像してみましょう。彼はあなたが求める本をあなたに与えるためにそこにいます。話を簡単にするために、自分で本を手に入れることができないとしましょう。読みたい本があれば図書館司書に尋ねる必要があり、司書は倉庫にある一連の書庫から本を取ってきてくれます。 (ワシントン DC の米国議会図書館はこのように設置されています。)

まず、キャッシュのないライブラリアンから始めましょう。最初のお客さんが到着。彼は『白鯨』という本を求めます。司書は倉庫に入り、本を受け取り、カウンターに戻り、本を顧客に渡します。その後、顧客が本を返しに戻ってきます。司書は本を受け取り、倉庫に返します。その後、彼はカウンターに戻り、別の顧客を待ちます。

さて、次の顧客が白鯨を求めたとします。その後、司書は保管庫に戻って、最近扱った本を取り出して顧客に渡さなければなりません。このモデルでは、図書館員は、頻繁にリクエストされる非常に人気のある本であっても、すべての本を取り出すために往復する必要があります。どうすれば図書館員のパフォーマンスを向上させることができるでしょうか?私たちは彼にキャッシュを置きました！

簡単な例: キャッシュされたバージョン

図書館員に 10 冊の本を収納できるバックパックを与えましょう (コンピュータ用語で言うと、図書館員は 10 冊の書籍のブラウザ キャッシュを持っています)。このバックパックには、クライアントが返してくる本を最大 10 冊まで入れます。前の例を使用してみましょう。ただし、今度は新しく改良されたキャッシュ ライブラリアンを使用します。

一日が始まります。図書館司書のバックパックは空です。最初のクライアントが到着し、白鯨を求めてきました。ここには魔法はありません。司書は本を取りに倉庫に行かなければなりません。彼はそれをクライアントに渡します。その後、顧客は戻ってきて、その本を司書に返します。司書は本を返すために倉庫に戻る代わりに、本をバックパックに入れてそこに立ちます（最初にバッグがいっぱいかどうかを確認します。これについては後で詳しく説明します）。

別の顧客が到着し、白鯨を要求します。図書館員は倉庫に行く前に、この本が自分のバックパック（または一時保管庫）の中にあるかどうかを確認します。彼はそれを見つけました！それをキャッシュヒットといいます。彼がしなければならないことは、バックパックから本を取り出してクライアントに渡すことだけです。倉庫に入る必要がないため、顧客へのサービスがより効率的に行われます。

キャッシュミスが発生した場合

クライアントがキャッシュ (バックパック) にないタイトルを要求した場合はどうなるでしょうか?この場合、図書館員は最初にバックパック内の本を探すのに時間がかかるため、キャッシュがある場合はキャッシュがない場合よりも効率が悪くなります。キャッシュ設計の課題の 1 つは、キャッシュ検索の影響を最小限に抑えることですが、最新のハードウェアではこの時間遅延が実質的にゼロに短縮されています。

単純な図書館員の例でも、キャッシュを検索する待ち時間 (待機時間) は、保管庫に戻る時間に比べて非常に小さいため、重要ではありません。キャッシュは小さく (10 冊)、キャッシュミスに気づくまでにかかる時間は、倉庫に行くのにかかる時間のほんの一部にすぎません。

キャッシュ: データを一時的に保存する場所

この例から、キャッシュに関するいくつかの重要な事実がわかります。

キャッシュメモリのレベル

コンピューターは、時間を非常に小さな増分で測定する機械です。マイクロプロセッサがランダム アクセス メモリ ( RAM ) にアクセスする場合、約 60 ナノ秒 (1 秒の 600 億分の 1) でアクセスが行われます。これはかなり高速ですが、一般的なマイクロプロセッサよりもはるかに遅いです。マイクロプロセッサのサイクル時間はわずか 2 ナノ秒なので、マイクロプロセッサにとって 60 ナノ秒は永遠のように思えます。

小さいながらも非常に高速 (約 30 ナノ秒) の特別なメモリ バンクをマザーボードに構築したらどうなるでしょうか?これはすでにメインメモリへのアクセスよりも 2 倍高速です。それはレベル 2 キャッシュまたは L2 キャッシュと呼ばれます。さらに小型で高速なメモリ システムをマイクロプロセッサのチップに直接構築したらどうなるでしょうか?こうすることで、このメモリはメモリ バスの速度ではなく、マイクロプロセッサの速度でアクセスされます。これは L1 キャッシュで、233 メガヘルツ (MHz) の Pentium では、L2 キャッシュよりも 3.5 倍高速で、メイン メモリへのアクセスよりも 2 倍高速です。

一部のマイクロプロセッサには、チップに直接 2 レベルのキャッシュが組み込まれています。この場合、マザーボード キャッシュ (マイクロプロセッサとメイン システム メモリの間に存在するキャッシュ) はレベル 3、つまり になります。

コンピューターには多数のサブシステムがあり、それらの多くの間にキャッシュを配置してパフォーマンスを向上させることができます。ここに例を示します。私たちはマイクロプロセッサ（コンピュータの中で最も速いもの）を持っています。次に、メイン メモリをキャッシュする L1 キャッシュと、ハードディスクやCD-ROMなどのさらに遅い周辺機器のキャッシュとして使用できる (そして頻繁に使用される) メイン メモリをキャッシュする L2 キャッシュがあります。ハードディスクは、さらに遅いメディア、つまりインターネット接続をキャッシュするためにも使用されます。

ブラウザキャッシュ: 頻繁にアクセスされるデータ用

インターネット接続は、コンピュータ内で最も遅いリンクです。そのため、Web ブラウザ (Safari、Google Chrome、およびすべて) はハードディスクを使用してHTML ページを保存し、ディスク上の特別なフォルダに HTML ページを保存します。初めて HTML ページを要求すると、ブラウザーがそのページをレンダリングし、そのコピーもディスクに保存されます。

次回このページへのアクセスをリクエストすると、ブラウザはインターネット上のファイルの日付がキャッシュされた日付よりも新しいかどうかを確認します。日付が同じ場合、ブラウザはインターネットからダウンロードする代わりに、ハードディスク上の日付を使用します。この場合、小さくても高速なメモリ システムはハードディスクであり、大きくて遅いメモリ システムはインターネットです。

キャッシュは周辺機器上に直接構築することもできます。最新のハードディスクには、約 512キロバイトの高速メモリがハードディスクに配線されています。コンピューターはこのメモリを直接使用せず、ハードディスク コントローラーが使用します。コンピュータにとって、これらのメモリ チップはディスクそのものです。

コンピュータがハードディスクにデータを要求すると、ハードディスク コントローラはハードディスクの機械部品を動かす前にこのメモリをチェックインします (これはメモリに比べて非常に遅いです)。要求されたデータがキャッシュ内で見つかった場合は、ディスク自体上のデータに実際にアクセスすることなく、キャッシュに保存されているデータを返すため、時間を大幅に節約できます。

キャッシュされたデータのサブシステム

ここで試してみましょう。コンピュータはフロッピー ドライブをメイン メモリにキャッシュしており、実際にそれが起こっているのを確認できます。フロッピーから大きなファイルにアクセスします。たとえば、テキスト エディタで 300 キロバイトのテキスト ファイルを開きます。初めて、フロッピーのライトが点灯するのがわかり、待ちます。フロッピー ディスクは非常に遅いため、ファイルをロードするのに 20 秒かかります。

次に、エディタを閉じて、同じファイルを再度開きます。 2 回目は (30 分待ったり、2 回の試行の間に大量のディスク アクセスを行わないでください)、ライトが点灯することはなく、待ちません。オペレーティング システムはフロッピー ディスクのメモリ キャッシュをチェックインし、探していたものを見つけました。

そのため、20 秒待つ代わりに、最初に試したときよりもはるかに速くメモリ サブシステムでデータが見つかりました (フロッピー ディスクへの 1 回のアクセスには 120 ミリ秒かかりますが、メイン メモリへの 1 回のアクセスには約 60 ナノ秒かかります。これははるかに高速です) ）。ハードディスクでも同じテストを実行することもできますが、フロッピー ドライブでは非常に遅いため、テストの結果がより顕著になります。

全体像を把握するために、通常のキャッシュ システムのリストを次に示します。

ご覧のとおり、L1 キャッシュは L2 キャッシュ データをキャッシュし、L2 キャッシュ データはディスク サブシステムのキャッシュに使用できるメイン メモリをキャッシュします。

データのキャッシュが重要な理由

この時点でよく聞かれる質問の 1 つは、「キャッシュを必要としないように、コンピュータのすべてのメモリを L1 キャッシュと同じ速度で実行できないのはなぜですか?」というものです。それはうまくいきますが、信じられないほど高価になります。キャッシュの背後にある考え方は、少量の高価なメモリを使用して、低速で安価な大量のメモリを高速化することです。

コンピューターを設計する際の目標は、マイクロプロセッサーをできるだけ安価にフルスピードで実行できるようにすることです。 500 MHz のチップは 1 秒間に 5 億サイクル (2 ナノ秒ごとに 1 サイクル) を実行します。 L1 および L2 キャッシュがないと、メイン メモリへのアクセスに 60 ナノ秒かかり、メモリにアクセスする約 30 サイクルの無駄になります。

考えてみると、このような比較的少量のメモリで、はるかに大量のメモリを最大限に活用できるというのは、ある意味信じられないことです。 64 メガバイトの RAM をキャッシュする 256 キロバイトの L2 キャッシュについて考えてみましょう。この場合、256,000 バイトで 64,000,000 バイトが効率的にキャッシュされます。なぜそれが機能するのでしょうか?

コンピューターサイエンスには、 と呼ばれる理論概念があります。これは、かなり大規模なプログラムでは、一度に使用されるのはほんの一部だけであることを意味します。奇妙に思えるかもしれませんが、参照の局所性はほとんどのプログラムで機能します。実行可能ファイルのサイズが 10 メガバイトであっても、そのプログラムから一度に使用されるのはほんの数バイトだけであり、その繰り返し率は非常に高いです。次のページでは、参照の場所について詳しく説明します。

参照の場所

参照の局所性が機能する理由を確認するために、次の疑似コードを見てみましょう (実際に理解するには、 「C プログラミングのしくみ」を参照してください)。

画面に出力 《1～100の数字を入力》
ユーザーからの入力を読み取る
ユーザーからの値を変数 X に入れます
変数Yに値100を入れます
変数 Z に値 1 を入れます
ループY回数
   ZをXで割る
   割り算の余り = 0 の場合
      次に、« Z は X の倍数です » を出力します。
   Zに1を加える
ループに戻る
終わり

この小さなプログラムは、ユーザーに 1 から 100 までの数値を入力するように求めます。ユーザーが入力した値を読み取ります。次に、プログラムは 1 から 100 までのすべての数値を、ユーザーが入力した数値で除算します。剰余が 0 (モジュロ除算) かどうかをチェックします。そうである場合、プログラムは 1 から 100 までのすべての数値に対して「Z は X の倍数」(たとえば、12 は 6 の倍数) を出力します。その後、プログラムは終了します。

コンピュータプログラミングにあまり詳しくなくても、このプログラムの11行のうち、ループ部分（7～9行目）が100回実行されることは容易に理解できます。他の行はすべて 1 回だけ実行されます。 7 行目から 9 行目は、キャッシュにより大幅に高速に実行されます。

このプログラムは非常に小さいので、最小の L1 キャッシュに簡単に完全に収まりますが、このプログラムが巨大だとしましょう。結果は同じままです。プログラムを作成するとき、ループ内で多くのアクションが発生します。ワード プロセッサは、時間の 95% を入力の待機と画面への表示に費やします。ワードプロセッサ プログラムのこの部分はキャッシュ内にあります。

この 95% 対 5% の比率 (およそ) は参照の局所性と呼ばれるもので、これがキャッシュが非常に効率的に機能する理由です。これが、このような小さなキャッシュでこのような大規模なメモリ システムを効率的にキャッシュできる理由でもあります。どこでも最速のメモリを搭載したコンピューターを構築することがなぜ価値がないのかがわかります。当社は、わずかなコストでこの効果の 95% を実現できます。

ランダム アクセス メモリ (RAM) は、コンピュータ メモリの最もよく知られた形式です。これにより、コンピュータはインターネットにアクセスした後、アプリケーションの読み込みやドキュメントの編集にすぐに切り替えることができます。 RAM は、セルで交差する行と列がわかっていれば、任意のメモリ セルに直接アクセスできるため、「ランダム アクセス」とみなされます。

対照的に、シリアル アクセス メモリ(SAM) は、(カセット テープのように) 連続的にのみアクセスできる一連のメモリ セルとしてデータを保存します。データが現在の場所にない場合は、必要なデータが見つかるまで各メモリ セルがチェックされます。 SAM は、通常、データが使用される順序で保存されるメモリ バッファ (ビデオ カードのテクスチャ バッファ メモリなど) に非常に適しています。一方、RAM データには任意の順序でアクセスできます。

RAM は基本的にコンピュータの短期メモリです。マイクロプロセッサと同様に、メモリ チップは数百万のトランジスタとコンデンサで構成される集積回路(IC) です。コンピュータ メモリの最も一般的な形式であるダイナミック ランダム アクセス メモリ(DRAM) では、トランジスタとコンデンサがペアになって、単一ビットのデータを表すメモリ セルが作成されます。コンデンサは情報のビット (0 または 1) を保持します (ビットの詳細については、「ビットとバイトの仕組み」を参照してください)。トランジスタは、メモリ チップ上の制御回路がコンデンサを読み取ったり、その状態を変更したりできるようにするスイッチとして機能します。

コンデンサは電子を蓄える小さなバケツのようなものです。メモリ セルに 1 を格納するには、バケツに電子を充填します。 0 を格納するには、空にします。コンデンサのバケットの問題は、漏れがあることです。数ミリ秒以内に、いっぱいになったバケツは空になります。したがって、ダイナミック メモリが動作するには、CPU またはメモリ コントローラが来て、1 を保持しているすべてのコンデンサを放電する前に再充電する必要があります。これを行うために、メモリ コントローラーはメモリを読み取り、すぐに書き込みます。この更新操作は 1 秒あたり数千回自動的に行われます。

ダイナミック RAM メモリ セル内のコンデンサは、漏れやすいバケツのようなものです。定期的にリフレッシュする必要があります。そうしないと、0 まで放電されます。このリフレッシュ操作がダイナミック RAM の名前の由来です。ダイナミック RAM は常に動的にリフレッシュする必要があり、そうしないと保持している内容を忘れてしまいます。このリフレッシュには時間がかかり、記憶の速度が遅くなるという欠点があります。

この記事では、RAM とは何か、購入する必要がある種類、およびインストール方法についてすべて学びます。

メモリセルとDRAM

メモリは 2 次元のグリッドに配置されたビットで構成されます。

この図では、赤いセルは 1 を表し、白いセルは 0 を表します。アニメーションでは、列が選択され、行がチャージされて特定の列にデータが書き込まれます。

メモリ セルは、列 (​​ビット線) と行 (ワード線) のアレイでシリコン ウェーハ上にエッチングされます。ビット線とワード線の交差点がメモリセルのアドレスを構成します。

DRAM は、適切な列 (CAS) を介して電荷を送信し、列内の各ビットでトランジスタをアクティブにすることによって動作します。書き込み時に、行ラインにはコンデンサが取るべき状態が含まれます。読み取り時、センスアンプはコンデンサ内の電荷レベルを決定します。 50% を超える場合は 1 として読み取ります。それ以外の場合は、0 として読み取られます。カウンタは、どの行がどのような順序でアクセスされたかに基づいて、リフレッシュ シーケンスを追跡します。これらすべてを行うのに必要な時間はナノ秒(10 億分の 1 秒) で表されるほど短いです。メモリ チップの定格が 70 ナノ秒であるということは、各セルを完全に読み取って再充電するのに 70 ナノ秒かかることを意味します。

メモリセルに情報を出入りする何らかの方法がなければ、メモリセルだけでは価値がありません。したがって、メモリセルには、他の特殊な回路の全体的なサポートインフラストラクチャがあります。これらの回路は次のような機能を実行します。

メモリ コントローラーのその他の機能には、メモリの種類、速度、量の識別、エラーのチェックなどの一連のタスクが含まれます。

スタティック RAM は DRAM とは動作が異なります。次のセクションでその方法を見ていきます。

スタティックRAM

スタティック RAM はまったく異なるテクノロジーを使用します。スタティック RAM では、フリップフロップの形式がメモリの各ビットを保持します (フリップフロップの詳細については、「ブール ロジックの仕組み」を参照してください)。メモリ セルのフリップフロップには、配線とともに 4 つまたは 6 つのトランジスタが必要ですが、リフレッシュする必要はありません。これにより、スタティック RAM はダイナミック RAM よりも大幅に高速になります。ただし、スタティック メモリ セルにはより多くの部品があるため、チップ上でダイナミック メモリ セルよりも多くのスペースを占有します。したがって、チップあたりのメモリが少なくなり、価格が上昇します。

スタティック RAM は高速ですが高価ですが、ダイナミック RAM は安価ですが低速です。そのため、静的 RAM は CPU の速度重視のキャッシュを作成するために使用され、動的 RAM はより大きなシステム RAM スペースを形成します。

デスクトップ コンピュータのメモリ チップは、もともとデュアル インライン パッケージ(DIP) と呼ばれるピン構成を使用していました。このピン構成は、コンピューターのマザーボード上の穴にはんだ付けするか、マザーボードにはんだ付けされたソケットに差し込むことができます。この方法は、コンピュータが通常数メガバイト以下の RAM で動作する場合には問題なく機能しましたが、メモリの必要性が増大するにつれて、マザーボード上のスペースを必要とするチップの数も増加しました。

解決策は、メモリ チップをすべてのサポート コンポーネントとともに別のプリント基板(PCB) 上に配置し、マザーボード上の特別なコネクタ (メモリ バンク) に接続できるようにすることでした。これらのチップのほとんどはスモール アウトライン J リード(SOJ) ピン構成を使用していますが、かなりのメーカーがシン スモール アウトライン パッケージ(TSOP) 構成も使用しています。これらの新しいピン タイプと元の DIP 構成の主な違いは、SOJ および TSOP チップが PCB に表面実装されていることです。言い換えれば、ピンは穴やソケットに挿入されるのではなく、基板の表面に直接はんだ付けされます。

メモリ チップは通常、モジュールと呼ばれるカードの一部としてのみ入手できます。メモリを購入するとき、多くのモジュールでは個々のメモリ チップが表示されます。

次のセクションでは、他の一般的なタイプの RAM について説明します。

RAMの種類

一般的な RAM のタイプをいくつか次に示します。

メモリモジュール

デスクトップ コンピューターの RAM に使用されるボードとコネクタの種類は、ここ数年で進化しました。最初のタイプは独自仕様であり、さまざまなコンピュータ メーカーが自社の特定のシステムでのみ動作するメモリ ボードを開発したことを意味します。

次に登場したSIMM は、シングル インライン メモリ モジュールの略です。このメモリ ボードは 30 ピン コネクタを使用し、サイズは約 3.5 x 0.75 インチ (約 9 x 2 cm) でした。ほとんどのコンピュータでは、同じ容量と速度の SIMM をペアで取り付ける必要がありました。これは、バスの幅が 1 枚の SIMM よりも広いためです。

たとえば、2 つの 8 メガバイト (MB) SIMM をインストールすると、合計 16 メガバイトの RAM が得られます。各 SIMM は一度に 8 ビットのデータを送信できますが、システム バスは一度に 16 ビットを処理できます。その後の SIMM ボードは、4.25 x 1 インチ (約 11 x 2.5 cm) と若干大きくなり、帯域幅を増やすために 72 ピン コネクタを使用し、最大 256 MB の RAM を搭載できました。 SIMM は 1980 年代初頭から 2000 年代初頭まで使用されました。

プロセッサの速度と帯域幅機能が向上するにつれて、業界はデュアル インライン メモリ モジュール(DIMM) の新しい標準を採用しました。 DIMM にはさまざまな容量があり、ペアではなく単独で取り付けることができます。

一部のブランドのラップトップ コンピューターは、スモール アウトライン デュアル インライン メモリ モジュール(SODIMM) 構成に基づいた RAM を使用しています。 SODIMM カードは約 2 x 1 インチ (5 x 2.5 cm) と小さく、144 または 200 個のピンがあります。容量の範囲はモジュールごとに 2 ～ 32GB です。一部のサブノートブック コンピューターでは、MicroDIMM として知られるさらに小さな DIMM が使用されています。業界は、 と の方がコンパクトであるため、より薄くて軽いラップトップの低電力 DDR4 モジュールに移行しています。残念ながら、それらは所定の位置にはんだ付けする必要があるため、平均的なユーザーは元の RAM を交換できません。

現在入手可能なメモリのほとんどは信頼性が高くなります。ほとんどのシステムでは、起動時にメモリ コントローラーがエラーをチェックするだけで、それに依存します。エラーチェックが組み込まれたメモリチップは通常、パリティとして知られる方法を使用してエラーをチェックします。パリティ チップには、データの 8 ビットごとに追加ビットがあります。パリティの仕組みは簡単です。まず偶数パリティについて見てみましょう。

バイト内の 8 ビットがデータを受信すると、チップは 1 の合計数を加算します。 1 の合計数が奇数の場合、パリティ ビットは 1 に設定されます。合計が偶数の場合、パリティ ビットは 0 に設定されます。データがビットから読み戻されると、合計が再度合計されて比較されます。パリティビットに。合計が奇数でパリティ ビットが 1 の場合、データは有効であるとみなされ、CPU に送信されます。しかし、合計が奇数でパリティ ビットが 0 の場合、チップは 8 ビットのどこかにエラーがあることを認識し、データをダンプします。奇数パリティも同様に機能しますが、バイト内の 1 の合計数が偶数の場合、パリティ ビットは 1 に設定されます。

パリティの問題は、エラーは検出されるものの、修正することができないことです。データのバイトがそのパリティ ビットと一致しない場合、データは破棄され、システムは再試行します。重要な位置にあるコンピューターには、より高いレベルのフォールト トレランスが必要です。ハイエンド サーバーには、エラー訂正コード(ECC) として知られる形式のエラー チェックが搭載されていることがよくあります。パリティと同様に、ECC は追加ビットを使用して各バイトのデータを監視します。違いは、ECC がエラー チェックに 1 ビットではなく複数のビットを使用することです (その数はバスの幅によって異なります)。 ECC メモリは特別なアルゴリズムを使用してシングルビット エラーを検出するだけでなく、実際にそれらを修正します。 ECC メモリは、バイト内の複数のビットのデータに障害が発生した場合にもインスタンスを検出します。このような障害は非常にまれであり、ECC を使用しても修正できません。

販売されているコンピュータの大部分は、ノンパリティ メモリ チップを使用しています。これらのチップはいかなる種類の組み込みエラー チェックも提供せず、代わりにエラー検出をメモリ コントローラーに依存します。

どれくらいのRAMが必要ですか?

十分なお金を持っていることは決してないと言われていますが、特にグラフィックスを多用する仕事やゲームを頻繁に行う場合は、RAM についても同じことが当てはまります。 CPU 自体の次に、RAM はコンピューターのパフォーマンスにおいて最も重要な要素です。十分でない場合は、新しい CPU を購入するよりも RAM を追加する方が大きな違いが得られる場合があります。

システムの応答が遅い場合、またはハードドライブに絶えずアクセスする場合は、RAM を追加する必要があります。 Windows 10 を実行している場合、32 ビット バージョンの最小 RAM 要件は 1 GB、64 ビット バージョンの場合は 2 GB です。 Windows 11 にアップグレードする場合は、. MacOS 11 (Big Sur) を搭載した Mac を使用している場合。

Linux は、RAM などのシステム要件が低いシステムでも快適に動作するという評判があります。 Xubuntu は、人気のある低要件の Linux ディストリビューションの 1 つです。 Xubuntu は、他の Linux ディストリビューションとともに軽量の Xfce デスクトップ環境を使用します。もちろん、より高いシステム要件を備えた Linux ディストリビューションもあります。

使用するオペレーティング システムに関係なく、最低要件は、インターネット、ワード プロセッシング、標準的なホーム/オフィス アプリケーション、軽いエンターテイメントへのアクセスなど、通常の使用法で見積もられたものであることに注意してください。コンピューター支援設計 (CAD)、3D モデリング/アニメーション、または大量のデータ処理を行う場合、または本格的なゲーマーの場合は、より多くの RAM が必要になります。コンピュータが何らかのサーバー(Web ページ、データベース、アプリケーション、FTP、またはネットワーク) として機能する場合は、より多くの RAM が必要になる場合もあります。

もう 1 つの質問は、ビデオ カードにどれくらいの VRAM が必要かということです。現在購入できるほとんどすべてのカードには、少なくとも 12 ～ 16 MB の RAM が搭載されています。通常、これは一般的なオフィス環境で動作するには十分です。次のいずれかを実行したい場合は、おそらくハイエンドのグラフィック カードに投資する必要があります。

ビデオ カードを購入するときは、モニターとコンピューターが選択したカードをサポートできる必要があることに注意してください。

RAMのインストール方法

ほとんどの場合、RAM の取り付けは非常にシンプルで簡単な手順です。重要なのはリサーチを行うことです。知っておくべきことは次のとおりです。

RAM は通常、2 ギガバイトの倍数、2、4、8、16、32 の密度で販売されます。つまり、モジュールは同じ標準サイズですが、同じボード上に異なる量のメモリを搭載することができます。たとえば、コンピュータに 8 GB が搭載されており、合計 16 GB の RAM が必要な場合は、8 GB 密度のモジュールを購入することになります。

必要な RAM の量がわかったら、どのフォーム ファクター(カード タイプ) を購入する必要があるかを確認します。これについては、コンピュータに付属のマニュアルを参照するか、製造元に問い合わせてください。オプションはコンピューターの設計によって異なることを認識することが重要です。通常の家庭/オフィス用に販売されているほとんどのコンピューターには DIMM スロットが付いています。ハイエンド システムは RIMM テクノロジに移行しており、最終的には標準のデスクトップ コンピュータにも採用されることになります。 DIMM スロットと RIMM スロットはよく似ているため、コンピュータがどちらのタイプを使用しているかを確認するように十分に注意してください。間違ったタイプのカードをスロットに挿入すると、システムに損傷を与え、カードが破損する可能性があります。

また、必要な RAM の種類を知る必要もあります。一部のコンピューターは、動作するために非常に特殊なタイプの RAM を必要とします。たとえば、お使いのコンピュータは 60ns ～ 70ns パリティ EDO RAM でのみ動作する場合があります。ほとんどのコンピュータにはそれほど制限はありませんが、制限はあります。最適なパフォーマンスを得るには、コンピュータに追加する RAM の速度、パリティ、タイプが既存の RAM と一致している必要があります。

さらに、一部のコンピュータは、オプションまたは要件としてデュアル チャネル RAM 構成をサポートしています。デュアルチャネル RAM モジュールは対応するペアで取り付けられるため、512MB RAM カードが取り付けられている場合は、その隣に別の 512MB カードが取り付けられます。デュアル チャネルがオプションの構成である場合、RAM を対応するペアにインストールすると、特定のアプリケーションのパフォーマンスが向上します。

お使いのコンピュータは、限られた量のメモリしか受け入れられないように構成されています。メモリ スロットの数には限りがあり、マシンによっては、メーカーが 16 GB または 32 GB モジュールを製造していても、使用できるモジュールの密度が 8 GB に制限される場合があります。または、場合によっては、お使いのコンピュータで工場出荷時に取り付けられた RAM をアップグレードできる場合があります。交換可能な RAM が 4 GB 搭載されているマシンが 16 GB に対応している場合は、8 GB モジュールを 2 つ購入し、4 GB モジュールを交換できます。

一部のメーカー (コンピュータとメモリの両方) は、Web サイトでウィザードを提供しており、コンピュータのモデルを入力すると、取り付ける必要があるメモリの種類を見つけることができます。マシンのシステム設定を確認して、搭載されているメモリの量を確認してください。スロットの数と受け入れられるメモリの量がわかったら、購入するメモリの量を決定できます。一部のメーカーではベース メモリを所定の位置にはんだ付けしていますが、それ以外の場合は、より小さい RAM カードを取り外して、より大きい RAM カードと交換できる場合があります。

コンピューターの構成を事前に知っておくと、メモリを購入するときにイライラするのを避けることができます。コンピュータを開いてから、買ったものが使えないことがわかると、非常にイライラすることがあります。

コンピューターを開ける前に、エンドユーザー使用許諾契約をチェックして、その過程で保証が無効にならないことを確認してください。一部のメーカーでは、ケースに封印し、認定技術者に RAM を取り付けるよう顧客に依頼しています。ケースを開ける準備ができたら、コンピューターの電源を切り、プラグを抜きます。静電気を放電するために、静電気防止パッドまたはリスト ストラップを使用して、身体を接地してください。お使いのコンピューターによっては、ケースを開けるのにドライバーまたはナットドライバーが必要な場合があります。一部のデスクトップ システムは、蝶ネジまたは単純なラッチを使用する工具不要のケースで提供されます。ラップトップは多くの場合、より困難です。

メモリモジュールの実際の取り付け。 RAM は、メモリ バンクと呼ばれるマザーボード上の一連のスロットに取り付けられます。メモリモジュールの一方の端には切り込みがあり、間違った方向に挿入することができません。

SIMM および一部の DIMM の場合、モジュールを約 45 度の角度でスロットに置き、マザーボードに対して垂直になるまで前方に押して、両端の小さな金属クリップが所定の位置にカチッと収まるまでモジュールを取り付けます。クリップが正しく引っかからない場合は、切り欠きが右端にあり、カードがしっかりと固定されていることを確認してください。多くの DIMM には金属クリップがありません。それらは摩擦に依存して所定の位置に保持されます。繰り返しますが、モジュールがスロットにしっかりと固定されていることを確認してください。手順についてはマザーボードのマニュアルをお読みください。

モジュールを取り付けたら、ケースを閉じ、コンピューターを再び接続して電源を入れます。コンピュータが POST (「パワーオン セルフ テスト」) を開始すると、メモリが自動的に認識されるはずですが、認識されるまでに時間がかかる場合があります。それだけです！

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フラッシュ メモリの最も一般的な用途の 1 つは、一般に BIOS (「バイオース」と発音します) として知られる、コンピュータの基本的な入出力システム用です。利用可能なほぼすべてのコンピュータで、BIOS は他のすべてのチップ、ハード ドライブ、ポート、および CPU が確実に連携して機能するようにします。

現在一般的に使用されているすべてのデスクトップおよびラップトップコンピューターには、中央処理装置としてマイクロプロセッサが搭載されています。マイクロプロセッサはハードウェアコンポーネントです。マイクロプロセッサは、その作業を完了するために、ソフトウェアとして知られる一連の命令を実行します (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)。おそらく、次の 2 つの異なる種類のソフトウェアについてよくご存じでしょう。

BIOS は、コンピュータが正常に動作するために必要な 3 番目の種類のソフトウェアであることがわかりました。この記事では、BIOS の機能、構成方法、BIOS の更新が必要な場合の対処法など、BIOS についてすべて学びます。

BIOS の機能

BIOS ソフトウェアにはさまざまな役割がありますが、最も重要な役割はオペレーティング システムをロードすることです。コンピュータの電源を入れ、マイクロプロセッサが最初の命令を実行しようとすると、その命令をどこかから取得する必要があります。オペレーティング システムはハードディスク上に配置されており、マイクロプロセッサはその方法を指示する命令がなければオペレーティング システムからアクセスできないため、オペレーティング システムからデータを取得することはできません。 BIOS はこれらの指示を提供します。 BIOS が実行するその他の一般的なタスクには次のようなものがあります。

• システム内のすべてのさまざまなハードウェア コンポーネントの電源投入時自己テスト (POST) により、すべてが適切に動作していることを確認します。
• コンピューターにインストールされているさまざまなカード上の他の BIOS チップをアクティブにする – たとえば、 SCSI カードやグラフィックス カードには独自の BIOS チップが搭載されていることがよくあります。
• オペレーティング システムがさまざまなハードウェア デバイスに接続するために使用する一連の低レベル ルーチンを提供します。これらのルーチンが BIOS の名前の由来です。特にコンピュータの起動時に、キーボード、画面、シリアルポートやパラレル ポートなどを管理します。
• ハードディスクや時計などの一連の設定を管理します。

BIOS は、コンピュータの主要なハードウェア コンポーネントとオペレーティング システムを接続する特別なソフトウェアです。通常、これはマザーボード上のフラッシュ メモリチップに保存されますが、チップが別の種類のROMである場合もあります。

コンピューターの電源を入れると、BIOS がいくつかの処理を実行します。これは通常のシーケンスです。

1. カスタム設定については CMOS セットアップを確認してください
2. 割り込みハンドラーとデバイスドライバーをロードする
3. レジスタと電源管理の初期化
4. 電源投入時自己テスト (POST) を実行する
5. システム設定を表示する
6. どのデバイスが起動可能かを判断する
7. ブートストラップ シーケンスを開始する

BIOS が最初に行うことは、相補型金属酸化膜半導体(CMOS) チップ上にある少​​量 (64バイト) の RAM に保存されている情報をチェックすることです。 CMOS セットアップは、システムに特有の詳細情報を提供し、システムの変更に応じて変更できます。 BIOS はこの情報を使用して、必要に応じてデフォルトのプログラミングを変更または補足します。これらの設定については後ほど詳しく説明します。

割り込みハンドラーは、ハードウェア コンポーネントとオペレーティング システムの間のトランスレーターとして機能する小さなソフトウェアです。たとえば、キーボードのキーを押すと、信号がキーボード割り込みハンドラーに送信され、それが何であるかを CPU に伝え、オペレーティング システムに渡します。デバイス ドライバーは、キーボード、マウス、ハード ドライブ、フロッピー ドライブなどの基本ハードウェア コンポーネントを識別するその他のソフトウェアです。 BIOS は常にハードウェアとの間で送受信される信号を傍受しているため、通常は高速に実行するためにRAMにコピーまたはシャドウされます。

コンピュータの起動

コンピューターの電源を入れると、最初に BIOS ソフトウェアが動作しているのが表示されます。多くのマシンでは、BIOS は、コンピュータに搭載されているメモリの量、ハードディスクの種類などを説明するテキストを表示します。この起動シーケンス中に、BIOS はコンピュータを実行できる状態にするために膨大な量の作業を行っていることがわかりました。このセクションでは、一般的な PC でのこれらのアクティビティのいくつかについて簡単に説明します。

CMOS セットアップをチェックし、割り込みハンドラーをロードした後、BIOS はビデオ カードが動作しているかどうかを判断します。ほとんどのビデオ カードには、カード上のメモリとグラフィック プロセッサを初期化する独自の小型 BIOS が搭載されています。そうでない場合は、通常、BIOS がロードできるマザーボード上の別の ROM にビデオ ドライバー情報が存在します。

次に、BIOS は、これがコールド ブートであるか再起動であるかを確認します。これは、メモリ アドレス 0000:0472 の値をチェックすることによって行われます。値 1234h は再起動を示し、BIOS は残りの POST をスキップします。それ以外のものはコールド ブートとみなされます。

コールド ブートの場合、BIOS は各メモリ アドレスの読み取り/書き込みテストを実行して RAM を検証します。キーボードとマウスの PS/2 ポートまたはUSB ポートをチェックします。ペリフェラル コンポーネント インターコネクト( PCI ) バスを検索し、見つかった場合はすべての PCI カードをチェックします。 BIOS が POST 中にエラーを検出した場合、一連のビープ音または画面に表示されるテキスト メッセージによって通知されます。この時点でのエラーは、ほとんどの場合、ハードウェアの問題です。

BIOS はシステムに関する詳細を表示します。通常、これには次の情報が含まれます。

• プロセッサー
• フロッピードライブとハードドライブ
• メモリ
• BIOS のリビジョンと日付
• 画面

小型コンピュータ システム インターフェイス( SCSI ) アダプタ用のドライバなどの特別なドライバはアダプタからロードされ、BIOS によって情報が表示されます。次に、BIOS は、CMOS セットアップでブートデバイスとして識別された一連のストレージ デバイスを調べます。 「ブーツ」は「ブーツストラップ」の略で、「ブーツストラップで自分を高めなさい」という古い言葉があります。ブートとは、オペレーティング システムを起動するプロセスを指します。 BIOS は、最初のデバイスからブート シーケンスを開始しようとします。 BIOS がデバイスを見つけられない場合は、リスト内の次のデバイスを試します。デバイス上で適切なファイルが見つからない場合、起動プロセスは停止します。コンピュータを再起動するときにディスクを残したことがある人は、おそらくこのメッセージを見たことがあるでしょう。

BIOS は、ドライブに残っているディスクからコンピュータを起動しようとしました。正しいシステム ファイルが見つからなかったため、続行できませんでした。もちろん、これは簡単な修正です。ディスクを取り出してキーを押すだけで続行できます。

BIOS の設定

前のリストでは、BIOS が CMOS セットアップのカスタム設定をチェックしていることがわかりました。これらの設定を変更するには次の手順を実行します。

CMOS セットアップに入るには、最初の起動シーケンス中に特定のキーまたはキーの組み合わせを押す必要があります。ほとんどのシステムでは、「Esc」、「Del」、「F1」、「F2」、「Ctrl-Esc」、または「Ctrl-Alt-Esc」を使用してセットアップを開始します。通常、ディスプレイの下部には「__を押してセットアップに入る」というテキスト行が表示されます。

セットアップに入ると、いくつかのオプションを含む一連のテキスト画面が表示されます。これらの一部は標準ですが、その他は BIOS の製造元によって異なります。一般的なオプションは次のとおりです。

• システム時刻/日付– システムの時刻と日付を設定します。
• ブート シーケンス– BIOS がオペレーティング システムのロードを試行する順序
• プラグ アンド プレイ– 接続されたデバイスを自動検出するための標準。コンピュータとオペレーティング システムの両方がサポートしている場合は、「はい」に設定する必要があります。
• マウス/キーボード– 「Num Lock を有効にする」、「キーボードを有効にする」、「マウスの自動検出」…
• ドライブ構成– ハードドライブ、CD-ROM、フロッピードライブを構成します。
• メモリ– 特定のメモリ アドレスにシャドウするように BIOS に指示します。
• セキュリティ– コンピューターにアクセスするためのパスワードを設定します
• 電源管理– 電源管理を使用するかどうかを選択し、スタンバイおよびサスペンドの時間を設定します。
• 終了– 変更を保存するか、変更を破棄するか、デフォルト設定を復元します

設定を変更する場合は十分に注意してください。設定が正しくないと、コンピュータが起動しなくなる可能性があります。変更が完了したら、「変更を保存」を選択して終了する必要があります。 BIOS はコンピュータを再起動して、新しい設定を有効にします。

BIOS はCMOSテクノロジーを使用して、コンピューターの設定に加えられた変更を保存します。このテクノロジーを使用すると、小型のリチウムまたはニカドバッテリでデータを何年も保持するのに十分な電力を供給できます。実際、新しいチップの中には、10 年間使用できる小さなリチウム バッテリーが CMOS チップに直接組み込まれているものもあります。

コンピューターや電子機器の世界には、わかりにくい用語がたくさんあります。よく登場する用語の 1 つが「ROM」です。しかし、 ROM とは何ですか?また、コンピュータ システムのフレームワーク内でどのように機能するのでしょうか?このデータ ストレージの概念を紐解いてみましょう。

ROMとは何ですか?

ROM は Read-Only Memory の頭字語です。データを永続的に保存するコンピューター メモリの一種を指します。

ROM メモリ チップには、変更できない固定命令が含まれています。また、不揮発性でもあるため、デバイスの電源が切れても内容が保持されます。この特性により、ROM は、重要なシステム設定、ファームウェア、および紛失してはいけないその他の重要な ROM データを保存するのに最適です。

RAM と ROM

Random Access Memory の略で、 RAM は揮発性であり、コンピュータの電源が失われると揮発性になります。一方、ROM チップは不揮発性であり、電源を切ってもデータが保持されます。

ROM とハードドライブの比較

ハードドライブはデータを磁気的に保存し、何度でも上書きできます。ただし、ハード ドライブとは異なり、ROM はデータを永続的に保存するため、特別な機器や手順がなければ ROM の内容を書き換えることはできません。

ROMの仕組み

RAM と同様に、ROM チップはアレイに編成されたメモリ セルにデータを保存することによって機能します。各メモリ セルには、バイナリ データ(通常は 0 と 1) を表すトランジスタの固定配置が含まれています。

製造プロセス中に、フォトリソグラフィーや電気プログラミングなどの方法により、データがこれらのメモリ セルに永続的に物理的にエンコードされることが保証されます。

ROMメモリの読み込み

アドレス指定と ROM には 2 つの基本コンポーネントが含まれます。

記憶細胞

ROM は、データを保存するための基本単位であるメモリ セルで構成されます。これらのセルは配列に編成され、単一ビットの情報 (通常は 0 または 1 の形式) を保持できます。

ワード線とビット線

ROM アレイ内のメモリ セルのアドレス指定と読み取りには、ワード ラインとビット ラインが必要です。

特定のメモリにアクセスするには、対応するワード線がアクティブになり、メモリ セルの特定の行が選択されます。読み取り動作中、活性化されたワード線上の選択されたメモリセルは、さらなる処理または出力のために、格納されたデータを対応するビット線に転送します。

6種類のROM

ROM にはいくつかの異なる種類があり、それぞれに独自の特性と用途があります。最も一般的なものは次のとおりです。

ROMの応用例

ROM は、コンピュータ システム、ゲーム コンソール、組み込みデバイスなど、さまざまなハードウェア コンポーネントに応用されています。ここでは一般的な用途をいくつか紹介します。

PROM の仕組み

PROM チップ (図 2) には、通常の ROM と同様に列と行のグリッドがあります。違いは、PROM チップの列と行のすべての交差点にそれらを接続するヒューズがあることです。

PROM は、通常、専用のプログラミング機器を使用して、製造後にユーザーがメモリ チップにデータを書き込むことができるようにすることで機能します。

PROM チップのプログラミング

PROM セルには、初期状態では無傷のヒュージブル リンクが含まれており、デフォルト状態 (通常はすべて 1) を表します。プログラミング中に、電気パルスまたは電流がチップ上の特定の位置に印加され、ヒュージブル リンクが選択的に切断されます。

これにより、対応するメモリセルの状態が 0 に変更されます。一度プログラムするとデータは固定され、ユーザーは変更できなくなります。

PROM の長所と短所

ブランク PROM は安価であり、高価な ROM 製造プロセスに着手する前に ROM のデータのプロトタイプを作成するのに最適です。ただし、PROM は ROM よりも壊れやすいです。静電気の衝撃により、PROM 内のヒューズが簡単に切れて、重要なビットが 1 から 0 に変化する可能性があります。

EPROM の仕組み

EPROM は、選択的消去と再プログラミングのプロセスを通じて動作します。 EPROM セルは、電子をトラップまたは放出できるフローティング ゲート トランジスタで構成され、バイナリ データを充電または放電状態として表します。

EPROM チップのプログラミング

プログラミング中、特定のメモリセルに高電圧が印加され、フローティングゲートに電子が注入され、トランジスタの導電性が変化してデータが保存されます。

データを消去するには、EPROM チップを紫外線 (UV) 光にさらします。これによりフローティング ゲートの電荷が消去され、セルがデフォルトの状態に戻ります。チップが消去されると、同じ高電圧プログラミング プロセスを使用して、新しいデータを EPROM セルにプログラムできます。

EPROM の適合性

EPROM は何度も消去および再プログラムできるため、電子デバイスにファームウェアや BIOS を保存するなど、時折更新や改訂が必要なアプリケーションに適しています。

EEPROM とフラッシュ メモリの仕組み

EEPROM とフラッシュ メモリは同様の原理で動作し、フローティング ゲート トランジスタを利用してデータを保存します。

EEPROM とフラッシュ メモリはどちらも不揮発性ストレージ ソリューションを提供するため、システム設定、ファームウェア、ユーザー データをさまざまな電子デバイスに保存するなど、頻繁にデータの更新や変更を必要とするアプリケーションに適しています。

EEPROMチップのプログラミング

EEPROM では、電気的プログラミングを通じて個々のメモリ セルのフローティング ゲートを充電または放電することによってデータが保存されます。

EPROM とは異なり、EEPROM は消去のために UV 光にさらす必要がありません。代わりに、高電圧信号を印加して、蓄積された電荷をフローティング ゲートから選択的に除去し、複数回の書き込み/消去サイクルを可能にします。

フラッシュメモリのプログラミング

同様に、フラッシュ メモリは、フローティング ゲート内で電子をトラップまたは放出することによってデータを保存しますが、メモリ セルをブロックとセクタに編成して、より大規模に動作します。

フラッシュ メモリは、プログラミング中および消去中に電子をフローティング ゲートに出入りさせるトンネリングと呼ばれるメカニズムを採用しています。フラッシュ メモリはブロックの消去とプログラミングを実行するように設計されており、大量のデータの保存と取得をより効率的に行うことができます。

現在購入できるラップトップやモバイル デバイスの多くには、通常 SD カードと呼ばれるセキュア デジタル メモリ カード用のスロットが組み込まれています。 SD カードは、使用方法や場所に応じてさまざまな便利な機能を備えたストレージ デバイスです。 SD カードの一般的な使用方法は次のとおりです。

SD カードは、Secure Digital Association によって開発および維持されている標準に準拠しています。パナソニック、サンディスク、東芝は、フラッシュ メモリストレージの規格の開発と推進を目的として、2000 年 1 月に SD Association を設立しました。すでにフラッシュ メモリ製品の世界的リーダーであるサンディスクのテクノロジーは、新しい規格のテンプレートとなりました。

カリフォルニア州サンラモンに本部を置く SD Association は、独自に製品を製造したり販売したりすることはありません。しかし、現在、世界中の大手電子機器メーカーを中心とした 1,000 社以上の協会会員が SD 規格の継続的な改善に貢献しています。これらの規格は、SD カード自体だけでなく、SD カードの読み取りと書き込みに使用されるハードウェアとデバイス ドライバーも対象としています。

会話の中で SD カードを説明するために、メモリ カードやフラッシュ メモリなどの別の言葉を使用したことがあるかもしれません。ただし、メモリという言葉は、コンピューティングにおいてまったく異なる目的を果たすランダム アクセス メモリ ( RAM ) についても使用されるため、一部の人に誤解を招く可能性があります。フラッシュという言葉は、SD カード内のソリッドステート素材にデータを保存する手段を表します。これについては、 「フラッシュ メモリのしくみ」を参照してください。ここでは、SD 規格に準拠し、SD Association の商標が付いたフラッシュ メモリ デバイスについて話しているため、SD カードという用語を使用します。

この記事では、SD のさまざまなフォーム ファクター、容量、速度に焦点を当て、セキュア デジタル カードの機能、利点、課題について見ていきます。まずは現在入手可能なSDカードの種類から見ていきましょう。

SDカードの種類

一見すると、SD カードは、一方の端に沿ってノッチがあり、一方の端に沿ってもう一方の端に沿ってピンと呼ばれる銅線が埋め込まれた、小さく平らな長方形の物体です。ただし、いくつかの異なるフォームファクターがあります。 SD カードの物理サイズは次のとおりです。

標準化されているのは、カードの物理的な構成だけではありません。 SDカードにもさまざまな容量があります。以下に、SD カードの容量形式を古いものから新しいものの順に示します。

これは 3 つの容量フォーマットで、それぞれ 2 つまたは 3 つのサイズがあります。カードにデータを読み書きするには、指定されたサイズ係数と容量クラスの両方を処理できるカード リーダー ハードウェアが必要です。また、ミニサイズまたはマイクロサイズのカードを使用していて、大きなサイズのリーダーを備えている場合は、小さなカードを大きなカードの形状をした特別なアダプターに挿入できます。一部の SD カード メーカーでは、デバイス間でカードを簡単に移動できるように、microSDHC カードと SDHC サイズのアダプタを一緒に販売しています。

ここは注意が必要です。たとえば、SD フォーマット カードを使用できる古いデジタル カメラをお持ちの場合、SDHC カードがカメラに収まっても機能しない可能性があります。ハードウェア仕様を確認して、デバイスがサポートする容量フォーマットを確認してください。次に、必要な容量とサイズの組み合わせに対応する SD ロゴが付いたカードを探します。これらのロゴはすべて、SD Association Web サイトでご覧いただけます。

これらの SD カードの種類に加えて、SD カードを購入するときに知っておきたい分類がもう 1 つあります。それは、速度です。次に、より高い SD カード速度が必要なアクティビティと、SD アソシエーションが速度によってカードをどのように分類しているかを見てみましょう。

スピードクラスとUHCスピードクラス

SD カードで確認できるもう 1 つの測定値は速度です。ファイルを保存したり、静止画を撮影したりするだけの場合、速度はそれほど重要ではありません。ただし、特に高解像度 (HD) でのビデオの撮影と再生に関しては、速度が非常に重要です。高速な SD カードを使用すると、よりスムーズな再生で高品質のビデオをキャプチャできます。

SD アソシエーションには、スピード クラスと超高速 (UHS) スピード クラスという、速度に関連する 2 つの規格があります。これら 2 つの規格には互換性がないため、必ず録画デバイスに適した規格を使用してください。各クラスと、SD カードが対応できる速度を判断する方法を詳しく見てみましょう。

スピード クラスはすべての SD カードに適用されます。 SD カードのスピード クラスは、SD ロゴの横に、円形の「C」型内の数字として表示されます。以下は、SD アソシエーションとカードによって定義されたスピード クラス、および通常それらのクラスに関連付けられているビデオ録画と再生の品質です。

超高速 (UHS) スピード クラスは、UHS-I バス インターフェイスを備えた SD カードで利用できます。つまり、SD カードには、最大 312 MB/秒の速度でメモリの読み書きを行うように設計された回路が搭載されています。 UHS SD カードのパッケージには、スピード クラスに加えて、「U」字型の中に数字で書かれた追加のクラスが記載されている場合があります。ただし、カード自体では、UHS スピード クラスは SD ロゴの右側にローマ数字の「I」で示されています。

SD カードの速度と容量について理解したところで、セキュア デジタル カードが「安全」である理由を見てみましょう。

セキュアデジタルのセキュリティ

セキュア デジタル メモリ カードの安全性は何ですか?すべての SD カードには、SD 標準データ タイプに対する著作権保護が施されています。これにより、商業配信業者は音楽やその他のメディアをデバイスに配置して、違法コピーから保護できるようになります。この SD カード機能の背後にあるテクノロジーは、記録可能メディアのコンテンツ保護 (CPRM) と呼ばれます。

CPRM は、IBM、インテル、SD の共同設立者であるパナソニックと東芝の著作権保護ライセンスを扱う組織である 4C Entity (LCC) によって開発されました。 4C Entity は、音楽の DVD-Audio フォーマットに関連する関連技術 Content Protection for Pre-recorded Media (CPPM) も開発しました。 CPRM と CPPM は通常、フラッシュおよび DVD メディア形式に関連付けられています。

SDカードを使用しているからといってCPRMが自動的に適用されるわけではありません。データを CPRM で保護するには、データを書き込むデバイスが最初に SD カード上にメディア識別子とメディア キー ブロック (MKB) を作成する必要があります。メディア識別子と MKB は、保護領域として知られる SD カードの物理部分に書き込まれます。保護領域に保存されているデータには、SD カードのファイル システムからはアクセスできませんが、SD カードを読み取る CPRM 対応デバイスは、そのデータをコンテンツ保護操作に使用できます。

CPRM でデータを保護するために、デバイスはメディア識別子と MKB を使用して、SD カードに書き込まれるデータをエンコードします。データを読み取るために、CPRM 対応デバイスは Media Identify と MKB にアクセスし、SD カードから読み取られるデータを復号化するためにそれらを使用します。したがって、CPRM で保護されたファイルを SD カードのファイル システムからコピーしたとしても、その SD カードの外部でそれらを読み取ることはできません。

CPRM に加えて、32 x 24 ミリメートル SD カード (SD、SDHC、SHXC) には、書き込み保護ロックというセキュリティ機能もあります。ロックは、SD カードの片側にある小さなスライダーです。ロックが解除された位置では、 USBドライブやその他の読み書き可能なストレージ デバイスと同様に、SD カードの読み書きが可能です。ロックされた位置では、SD カードはファイル システムへの変更を許可せず、読み取り専用デバイスになります。たとえば、ラップトップまたはデスクトップ コンピューターで SD カードを読み取るときに、カメラのデータを誤って上書きすることが心配な場合は、この機能を使用するとよいでしょう。

これまで、SD カードに関連する容量、速度、セキュリティに焦点を当ててきました。次のページでは、プラスチックのカバーを外して、内部のテクノロジーを見ていきます。

SDカードの内部

SD カードはソリッドステート デバイスです。これは、機能するために可動部品がないことを意味します。これは、古いポータブル ストレージ デバイスに比べて大きな改善です。たとえば、フロッピー ディスクには高速で回転する薄いディスクが内蔵されており、磁場の近くに置かれるとデータが失われる可能性があります。 CDとDVD はサイズが大きく耐久性が低く、何度も書き換えるとストレージ容量がすぐに低下します。 SD カードのコンポーネントは回路の一部であり、そのパッケージングは​​以前のカードに比べて小型で耐久性があります。

耐久性について言えば、このページの写真を撮影するために SD カードを割ってみました。それは簡単ではありませんでしたが、これは前述の耐久性の証拠です。ただし、ミニ サイズやマイクロ サイズはより繊細なので、曲がったり、欠けたり、壊れたりする可能性がある場所に SD カードを保管することは望ましくありません。

SD カードの内部にはフラッシュ メモリを含む回路が組み込まれています。私たちの記事「フラッシュ メモリの仕組み」では、フラッシュ メモリ チップ上のデータの書き込みまたは消去時に、その回路が電気の流れをどのように制御するかについて説明しています。各 SD カードはフォーム ファクター、容量、速度、共通入出力インターフェイスの規格に準拠していますが、SD カードのメーカーが異なれば、フラッシュ メモリと内部のサポート コンポーネントの設計において異なるアプローチを採用しています。

標準に従って、各 SD カードはファイル アロケーション テーブル (FAT) ファイル システムでフォーマットされており、システム内のファイルにアクセスする可能性のあるほぼすべてのオペレーティング システムと互換性があります。場合によっては、SD カードの再フォーマットが必要になることがあります。これは、すべてのデータを完全に消去するためにデータを「ゼロにする」か、破損後にファイル システムを回復するためです。これは、重要な読み取り/書き込み操作中にカードを取り外すときに発生する可能性があります。 。再フォーマットする必要がある場合、SD アソシエーションは、ここから入手できる SD フォーマッタ ソフトウェアを使用することを推奨しています。その理由の 1 つは、サードパーティのディスク フォーマッタが SD カードの CPRM 機能で使用される保護領域を考慮していない可能性があることです。

ここまで、SD カードのハードウェアとその仕組みの技術的な側面を調べてきました。次に、SD カードとカード リーダーを使用する際の課題をいくつか見てみましょう。

SD ハードウェアの使用における課題

SD カードにはさまざまなメリットがあります。小型で耐久性があり、何千ものデバイスのいずれでも使用できます。ただし、いくつかの課題や欠点もあります。

欠点の 1 つは、フラッシュ メモリ テクノロジの既知の制限に関係しています。この技術を発明した東芝によると、ソリッドステート SD カードのメモリ セルは、ハードウェアがデータを保持または更新できなくなるまでに、書き込み/消去サイクルが約 10,000 回しか実行できないとのことです。これは実証済みの制限ですが、カードの内容全体を 1 日 1 回、27 年間毎日完全に書き込み、消去するのと同じことなので、大きな問題になることはほとんどありません。 [出典：東芝]

おそらく、データの寿命よりも重要なのは、物理カードの取り扱いに関する課題です。各 SD カードは頑丈ですが、ポケットから落ちたり、狭い隙間に滑り込んだり、紙の束の中に紛れ込んだり、踏んだり液体に浸したりすると修復不可能な損傷を受ける可能性があります。 SD カードをカード リーダーにスライドさせて出し入れするのも、特にミニサイズやマイクロサイズのカードの場合、難しい場合があります。 SDカードが本体からはみ出している場合は、本体を移動する際にも注意してください。これらの課題に対処するには、カードを常に注意深く扱い、使用中はカードがどこにあるかを常に認識し、使用するまではカードを保護してください。

SD カードに関するもう 1 つの課題は、デバイスに適切なタイプを選択しているかどうかを確認することです。必要なサイズを選択するのは簡単です。通常、SD カード スロットを見るだけで、3 つのサイズのうちどれが必要かがわかります。ただし、デバイスと互換性のある容量と速度を選択する必要もあります。店頭に並ぶ SD カードを見て、最もコストパフォーマンスの高いカードを選択しようとする場合、これは難しい場合があります。この課題に最もよく対処するには、デバイスが処理できる SD カード (最小および推奨の両方)、および必要な規格 (SD、miniSD、microSD、SDHC、miniSDHC、microSDHC、SDXC、microSDXC) の SD ロゴがどのようなものであるかについての知識が必要です。

SD カードに関する最後の課題は、どのようなテクノロジーを使用しても避けられないものです。それは、古い規格が時代遅れになり、新しい規格に置き換わる傾向があるということです。 SD カード自体の場合、新しいカード リーダーは古いカードを読み取ることができるため、これはそれほど問題ではありません。より大きな課題となるのは、SD カードを使用するデバイスです。古いデバイスを引き続き使用するには、古い標準に準拠するカードを見つける必要があります。ただし、SD ではまだどの規格も廃止されていないため、古い規格のカードがまだしばらくの間利用可能になることに期待してください。

多くのことが進んでいる中、SD カード テクノロジーの将来はどのようになるのでしょうか?次のページでそれを見てみましょう。

セキュアデジタルカードの未来

何千ものデバイスで SD カード テクノロジーがブームになっていることから、SD カードは今後何年も使用されるだろうと結論付けるのは自然なことです。 SD アソシエーションは、メーカーがフラッシュ メモリテクノロジの改善に貢献するにつれて、新しい標準を組み込んで SD カードの拡張を続けています。この記事の執筆時点では、SD カードのさらに高速な読み取り/書き込み速度を標準化するために UHS-II が開発中です。

非常に多くのデバイスに SD カード リーダーが追加されているため、メーカーは「そのスロットをフラッシュ メモリ以外の用途に使用できないか?」と尋ねています。ハードウェア インターフェイスは、SD カードに電力とデータ交換の両方を提供するため、データの読み取りと書き込み以上のことができると考えるのが合理的です。この需要を認識して、SD Association は SDIO カード インターフェイスを開発しました。 SDIO カード インターフェイスをデバイスに追加することで、メーカーはデバイスを既存の SD カード リーダーで使用できるように適合させることができます。

SDIO カード インターフェイス規格でカバーされる機能のほんの一部を次に示します。

SDIO を活用した驚くべき小型デバイスの 1 つが、 です。 2005 年に設立された Eye-Fi, Inc. は、カメラの SD カード スロットを写真をWebに直接アップロードするためのポータルに変える特許出願中のテクノロジーを備えています。 Eye-Fi カードには、Wi-Fi 無線と、Wi-Fi ネットワークに接続し、その接続を使用して写真をコンピュータや Flickr やFacebookなどの写真共有 Web サイトにアップロードするように設計されたソフトウェアが含まれています。 Eye-Fi カードの価格は 49.99 ドルから 99.99 ドルです。