書き込み可能な揮発性ランダム アクセス メモリの例: 同期ダイナミック RAMモジュール。主にパーソナル コンピュータ、ワークステーション、サーバーのメイン メモリとして使用されます。
64ビットのメモリチップダイ、1960年代半ばにIBMで製造されたSP95フェーズ2バッファメモリとメモリコアの鉄リング
白いヒートシンク付き8GB DDR3 RAMスティック

ランダムアクセスメモリ（RAM、/ ræm /）は、任意の順序で読み取りおよび変更が可能な電子コンピュータメモリの一種で、通常は作業データとマシンコードを格納するために使用されます。[ 1 ] [ 2 ]ランダムアクセスメモリデバイスは、メモリ内のデータの物理的な位置に関係なく、ほぼ同じ時間でデータ項目の読み取りまたは書き込みを可能にします。これは、メディアの回転速度やアームの動きなどの機械的な制限により、データ項目の読み取りおよび書き込みに必要な時間が記録媒体上の物理的な位置によって大幅に異なる他の直接アクセスデータストレージメディア （ハードディスクや磁気テープなど）とは対照的です。

現代の技術では、ランダムアクセスメモリはMOS（金属酸化物半導体）メモリセルを備えた集積回路（IC）チップの形をとります。RAMは通常、電源が切れると保存された情報が失われる揮発性メモリに関連付けられます。揮発性ランダムアクセス半導体メモリには、主にスタティックランダムアクセスメモリ（SRAM）とダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM） の2種類があります。

不揮発性RAMも開発されており[ 3 ]、他の種類の不揮発性メモリは読み出し操作ではランダムアクセスが可能ですが、書き込み操作は不可能であるか、その他の制限があります。これには、ほとんどの種類のROMとNORフラッシュメモリが含まれます。

半導体 RAM の使用は、IBM がSystem/360 Model 95コンピュータ用にモノリシック (シングルチップ) 16 ビット SP95 SRAM チップを発表し、東芝が180 ビット Toscal BC-1411電子計算機にバイポーラ DRAM メモリセルを採用した 1965 年にまで遡ります。磁気コアメモリよりも高速でしたが、バイポーラ DRAM は当時主流だった磁気コアメモリの低価格には太刀打ちできませんでした。[ 4 ] 1966 年、ロバート デナード博士はコンデンサごとに 1 つの MOS トランジスタがある最新の DRAM アーキテクチャを発明しました。[ 5 ]最初の商用 DRAM IC チップである 1K Intel 1103は、1970 年 10 月に発表されました。同期ダイナミックランダムアクセスメモリ(SDRAM) は、 1992 年にSamsung KM48SL2000 チップで再発表されました。

歴史

1930 年代半ばのIBM集計マシンでは、情報を保存するために機械式カウンターが使用されていました。

初期のコンピュータは、主記憶機能にリレー、機械式カウンタ[ 6 ]あるいは遅延線を使用していた。超音波遅延線は直列デバイスであり、書き込まれた順にしかデータを再生できなかった。ドラムメモリは比較的低コストで拡張できたが、メモリ項目を効率的に取り出すには、速度を最適化するためにドラムの物理的レイアウトの知識が必要であった。三極真空管で作られたラッチ、後には個別のトランジスタで作られたラッチは、レジスタなどの小型で高速なメモリに使用された。このようなレジスタは比較的大きく、大量のデータを扱うにはコストが高すぎたため、一般に数十ビットから数百ビットのメモリしか提供できなかった。

最初の実用的なランダムアクセスメモリはウィリアムズ管でした。これは、データをブラウン管の表面の電荷を帯びた点として保存しました。CRTの電子ビームは、ブラウン管上の点を任意の順序で読み書きできるため、メモリはランダムアクセスでした。ウィリアムズ管の容量は数百ビットから1000ビット程度でしたが、個々の真空管ラッチを使用するよりもはるかに小型で高速、かつ電力効率に優れていました。イギリスのマンチェスター大学で開発されたウィリアムズ管は、マンチェスター・ベイビー・コンピュータに初めて電子的に保存されたプログラムを実装するための媒体を提供しました。このコンピュータは、1948年6月21日に初めてプログラムの実行に成功しました。[ 7 ]実際には、ウィリアムズ管メモリがベイビー用に設計されたのではなく、ベイビーはメモリの信頼性を実証するためのテストベッドでした。 [ 8 ] [ 9 ]

磁気コアメモリは1947年に発明され、1970年代半ばまで開発が続けられました。磁気リングの配列を利用したランダムアクセスメモリとして広く普及しました。各リングの磁化方向を変えることで、リングごとに1ビットのデータを保存できました。各リングには、アドレス線の組み合わせがあり、それらを使ってメモリの選択と読み出しまたは書き込みを行うため、任意のメモリ位置に任意の順序でアクセスすることが可能でした。磁気コアメモリは、1970年代初頭に集積回路（IC）の半導体メモリに取って代わられるまで、コンピュータメモリの標準的な形態でした。 [ 10 ]

統合された読み取り専用メモリ(ROM) 回路が開発される前は、永続的(または読み取り専用) ランダム アクセス メモリは、アドレス デコーダーによって駆動されるダイオード マトリックス、または特別に巻かれたコア ロープ メモリプレーンを使用して構築されることがよくありました。

半導体メモリは1960年代にバイポーラトランジスタを用いたバイポーラメモリとともに登場しました。バイポーラメモリは高速でしたが、磁気コアメモリの低価格には太刀打ちできませんでした。[ 11 ]

MOS ラム

1957年、フロッシュとデリックはベル研究所で最初の二酸化シリコン電界効果トランジスタを製造した。これはドレインとソースが表面で隣接した最初のトランジスタであった。[ 12 ]その後、1960年にベル研究所のチームが動作するMOSFETを実証した。[ 13 ] [ 14 ]これは、 1964年にフェアチャイルドセミコンダクタのジョンシュミットによる金属酸化物半導体（MOS）メモリの開発につながった。[ 10 ] [ 15 ] MOS半導体メモリは、高速であることに加えて、磁気コアメモリよりも安価で消費電力も少なかった。[ 10 ] 1968年にフェアチャイルドのフェデリコファギンがシリコンゲートMOS集積回路（MOS IC）技術を開発し、MOSメモリチップの製造が可能になった。[ 16 ] MOSメモリは、1970年代初頭に磁気コアメモリを追い抜いて主要なメモリ技術となった。[ 10

集積バイポーラスタティックランダムアクセスメモリ（SRAM）は、 1963年にフェアチャイルドセミコンダクターのロバートH.ノーマンによって発明されました。[ 17 ]続いて1964年にフェアチャイルドのジョンシュミットによってMOS SRAMが開発されました。[ 10 ] SRAMは磁気コアメモリの代替となりましたが、データ1ビットごとに6つのMOSトランジスタが必要でした。[ 18 ] SRAMの商用利用は、 IBMがSystem/360 Model 95用にSP95メモリチップを発表した1965年に始まりました。[ 11 ]

ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（DRAM）は、4個または6個のトランジスタからなるラッチ回路を、メモリビットごとに1個のトランジスタに置き換えることを可能にし、揮発性を犠牲にしてメモリ密度を大幅に向上させました。データは各トランジスタの微小な容量に保存され、電荷が漏れ出てしまう前に数ミリ秒ごとに 定期的にリフレッシュする必要がありました。

1965年に発売された東芝のToscal BC-1411電子計算機[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]は、コンデンサ型バイポーラDRAMの一種を使用し、ゲルマニウムバイポーラトランジスタとコンデンサで構成される個別のメモリセルに180ビットのデータを保存しました。 [ 20 ] [ 21 ]コンデンサは、アタナソフ・ベリーコンピュータのドラム、ウィリアムズ管、セレクトロン管など、それ以前のメモリ方式にも使用されていました。バイポーラDRAMは磁気コアメモリよりも高速でしたが、当時主流だった磁気コアメモリの低価格には太刀打ちできませんでした。[ 22 ]

CMOS 1メガビット（Mbit）DRAMチップ。 1989年にVEB Carl Zeiss Jenaによって開発された最後のモデルの1つ。

1966年、ロバート・デナードはMOS技術の特性を調べているときに、 MOSコンデンサを構築できること、MOSコンデンサに電荷を蓄えるか蓄えないかでビットの1と0を表現できること、そしてMOSトランジスタがコンデンサへの電荷の書き込みを制御できることを発見した。これが、コンデンサごとに1つのMOSトランジスタがある現代のDRAMアーキテクチャの開発につながった。[ 18 ] 1967年、デナードはIBMのもとでMOS技術に基づいたシングルトランジスタDRAMメモリセルの特許を申請した。[ 18 ] [ 23 ]最初の商用DRAM ICチップはIntel 1103で、8μmのMOSプロセスで製造され、容量は1kビットで、 1970年にリリースされた。[ 10 ] [ 24 ] [ 25 ]  

初期のDRAMはCPUクロックと同期することが多く、初期のマイクロプロセッサで使用されていました。1970年代半ばにDRAMは非同期設計に移行しましたが、1990年代に同期動作に戻りました。[ 26 ] [ 27 ] 1992年にサムスンは16メガビットの容量を持つKM48SL2000をリリースしました。[ 28 ] [ 29 ]最初の商用ダブルデータレートSDRAMは、1998年6月にリリースされたサムスンの64メガビットDDR SDRAMでした。 [ 30 ] GDDR （グラフィックスDDR）はSGRAM （同期グラフィックスRAM）の一種で、1998年にサムスンが16メガビットのメモリチップとして初めてリリースしました。 [ 31 ]   

種類

一般に、RAMという用語は固体記憶装置、より具体的にはほとんどのコンピュータのメインメモリを指します。現代のRAMとして広く使用されている2つの形式は、スタティックRAM（SRAM）とダイナミックRAM （DRAM）です。SRAMでは、通常6つのMOSFETを使用して、メモリセルの状態を使用して1ビットのデータが格納されます。この形式のRAMは製造コストが高いですが、一般的にDRAMよりも高速で、必要な静的電力が少なくなります。現代のコンピュータでは、SRAMはCPUのキャッシュメモリとしてよく使用されます。DRAMは、トランジスタとコンデンサのペア（通常はそれぞれMOSFETとMOSコンデンサ）を使用して1ビットのデータを保存します[ 32 ]。このペアは一緒にDRAMセルを構成します。コンデンサは高電荷または低電荷（それぞれ1または0）を保持し、トランジスタはチップ上の制御回路がコンデンサの電荷状態を読み取ったり変更したりするためのスイッチとして機能します。この形式のメモリはスタティックRAMよりも製造コストが低いため、現代のコンピュータで使用されるコンピュータメモリの主流となっています。

スタティックRAMとダイナミックRAMはどちらも揮発性メモリとみなされ、システムから電源が切断されると状態が失われます。一方、読み取り専用メモリ（ROM）は、特定のトランジスタを永続的に有効または無効にすることでデータを保存するため、メモリの内容を変更することはできません。書き込み可能なROM（ EEPROMやNORフラッシュなど）は、ROMとRAMの両方の特性を備えており、電源が供給されていなくてもデータを保持でき、特別な機器を必要とせずに更新できます。

ECC メモリ(SRAM または DRAM) には、パリティ ビットまたはエラー訂正コードを使用して、保存されたデータ内のランダムな障害 (メモリ エラー) を検出および/または訂正するための特別な回路が含まれています。

メモリセル

メモリセルは、コンピュータメモリの基本的な構成要素です。メモリセルは、 1ビットのバイナリ情報を記憶する電子回路です。セルは、論理1（高電圧レベル）を記憶するようにセットされ、論理0（低電圧レベル）を記憶するようにリセットされます。その値は、セット/リセット処理によって変更されるまで維持されます。メモリセル内の値は、読み出すことでアクセスできます。

SRAMでは、メモリセルはフリップフロップ回路の一種であり、通常はFETを用いて実装されます。つまり、SRAMはアクセスされていないときの消費電力が非常に少ないですが、複雑で高価であり、記憶密度も低くなります。

2つ目のタイプであるDRAMは、コンデンサをベースにしています。このコンデンサを充放電することで、セルに1または0を記憶できます。しかし、コンデンサの電荷は徐々に失われるため、定期的にリフレッシュする必要があります。このリフレッシュプロセスのため、DRAMはSRAMよりも消費電力は高くなりますが、SRAMに比べて高い記憶密度と低いユニットコストを実現できます。

アドレッシング

メモリセルが有用であるためには、読み出しと書き込みが可能でなければなりません。RAMデバイス内では、メモリセルを選択するために多重化および多重分離回路が用いられます。通常、RAMデバイスにはアドレスラインのセットがあり、これらのラインに適用されるビットの組み合わせごとに、メモリセルのセットが選択されます。このアドレス指定により、RAMデバイスのメモリ容量はほぼ常に2のべき乗になります。

通常、複数のメモリセルが同じアドレスを共有します。例えば、4ビット幅のRAMチップには、アドレスごとに4つのメモリセルがあります。メモリの幅とマイクロプロセッサの幅は異なる場合が多く、32ビットのマイクロプロセッサの場合は、4ビットのRAMチップが8個必要になります。

多くの場合、単一のデバイスで提供できるよりも多くのアドレスが必要になります。その場合、複数のデバイスが使用され、外部マルチプレクサを使用して特定のアドレス範囲に割り当てられたデバイスが選択されます。RAMはバイト単位でアドレス指定できることが多いですが、ワード単位でアドレス指定できるRAMも存在します。[ 33 ] [ 34 ]

メモリ階層

多くのコンピュータシステムは、プロセッサレジスタ、オンダイSRAMキャッシュ、外部キャッシュ、DRAM、メモリページングシステム、そしてSSDまたはハードドライブ上の仮想メモリまたはスワップスペースで構成されるメモリ階層を備えています。プログラミングの観点からは、このメモリプール全体をRAMと呼ぶこともあります。メモリ階層を使用する全体的な目標は、メモリシステム全体の総コストを最小限に抑えながら、 平均アクセス時間を可能な限り短縮することです。

RAMのその他の用途

ノートパソコン用 RAM のSO -DIMMスティック。デスクトップ コンピュータで使用される標準DIMMの約半分のサイズです。

RAM は、オペレーティング システムやアプリケーションの一時的な保存場所や作業スペースとして機能するほか、さまざまな用途にも使用されます。

仮想メモリ

最近のオペレーティング システムのほとんどは、仮想メモリと呼ばれる、RAM 容量を拡張する方法を採用しています。コンピューターのハード ドライブまたはSSDの一部がページング ファイルまたはスクラッチ パーティション用に割り当てられ、物理 RAM とページング ファイルの組み合わせがシステムの合計メモリを構成します。たとえば、コンピューターに 2 GB の RAM と 1 GB のページ ファイルがある場合、オペレーティング システムで使用できるメモリの合計は 3 GB になります。システムの物理メモリが不足すると、RAM の一部をページング ファイルにスワップして、新しいデータ用のスペースを確保できます。以前にスワップされた情報が再び必要になった場合は、別のスワップが実行され、情報が RAM に読み戻されます。このメカニズムを過度に使用するとスラッシングが発生し、一般的にシステム全体のパフォーマンスが低下します。これは主に、ハード ドライブが RAM よりはるかに遅いためです。

RAMディスク

ソフトウェアはコンピュータのRAMの一部を「パーティション分割」し、RAMディスクと呼ばれるより高速なハードドライブとして動作させることができます。RAMディスクは、メモリにスタンバイバッテリー電源が供給されるように設定するか、RAMディスクへの変更が不揮発性ディスクに書き込まれない限り、コンピュータをシャットダウンすると保存されたデータが失われます。RAMディスクは、RAMディスクの初期化時に物理ディスクから再読み込みされます。

シャドウRAM

アクセス時間を短縮するために、比較的低速なROMチップの内容を読み書き可能なメモリにコピーする場合もあります。その後、ROMチップは無効化され、初期化されたメモリ位置が同じアドレスブロック（多くの場合、書き込み保護されている）に切り替えられます。このプロセスはシャドウイングとも呼ばれ、コンピュータと組み込みシステムの両方で広く採用されています。

一般的な例として、一般的なパーソナルコンピュータのBIOSには、「シャドウBIOSを使用する」などのオプションがよくあります。これを有効にすると、BIOSのROMのデータに依存する機能は、代わりにDRAMの領域を使用します（ほとんどのシステムでは、ビデオカードのROMやその他のROMセクションのシャドウイングも切り替えられます）。システムによっては、パフォーマンスの向上につながらず、非互換性が生じる可能性があります。例えば、シャドウRAMを使用すると、オペレーティングシステムから一部のハードウェアにアクセスできなくなる場合があります。システムによっては、起動後にBIOSが使用されず、ハードウェアへの直接アクセスが優先されるため、このメリットは仮説的なものに過ぎない場合があります。シャドウROMのサイズ分、空きメモリが減少します。[ 35 ]

仮想プライベートネットワーク

一部の仮想プライベートネットワークサービスでは、RAMサーバーを利用して、セッションメタデータや暗号化素材を含むすべてのランタイム状態を揮発性メモリに保存し、電源の投入や再起動で消去することで、ディスクバックアップの設計に比べて永続的なフォレンジックアーティファクトを削減しています。[ 36 ] [ 37 ]このような設計では、データはハードドライブに書き込まれず、すべての情報は揮発性メモリに保存され、サーバーの電源を切ったり再起動したりすると消去されます。[ 38 ]

記憶の壁

メモリウォールとは、CPUの速度とCPUチップ外のメモリの応答時間（メモリレイテンシと呼ばれる）の差が拡大していることである。この差の重要な原因は、チップ境界を越えた通信帯域幅の限界である。1986年から2000年にかけて、 CPU速度は年間55%向上したのに対し、オフチップメモリ​​の応答時間はわずか10%しか向上しなかった。こうした傾向から、メモリレイテンシがコンピュータ性能における大きなボトルネックになると予想された。[ 39 ]

この差異のもう 1 つの理由は、1980 年代の PC 革命の開始以降、メモリ サイズが大幅に増加したことです。当初、PC に搭載されていた RAM は 1 メビバイト未満で、応答時間は 1 CPU クロック サイクルであることが多く、待機状態は 0 でした。メモリ ユニットが大きいほど、同じ種類の小さなものよりも本質的に遅くなります。これは、信号が大きな回路を通過するのに時間がかかるためです。応答時間が 1 クロック サイクルの、数ギビバイトのメモリ ユニットを構築することは、困難または不可能です。最新の CPU は、多くの場合、1 メビバイトの待機状態 0 のキャッシュ メモリを備えていますが、チップ間通信の帯域幅制限のため、CPU コアと同じチップ上に存在します。また、このキャッシュ メモリは、大容量メモリに使用されるダイナミック RAM よりもはるかに高価なスタティック RAM で構築する必要があります。スタティック RAM は、消費電力もはるかに高くなります。

CPU速度の向上は、大きな物理的障壁とCPU設計が既にメモリの壁にぶつかっていることなどにより、大幅に鈍化しました。Intelは2005年の文書でこれらの原因をまとめています。[ 40 ]

まず第一に、チップの形状が縮小しクロック周波数が上昇すると、トランジスタのリーク電流が増加し、過剰な電力消費と発熱につながります... 第二に、クロック速度の高速化による利点は、メモリのアクセス時間がクロック周波数の増加に追いついていないため、メモリのレイテンシによって部分的に相殺されます。 第三に、特定のアプリケーションでは、プロセッサが高速化するにつれて従来のシリアルアーキテクチャの効率が低下しており (いわゆるフォンノイマンボトルネックのため)、周波数の増加によって得られるはずのメリットがさらに損なわれています。 さらに、ソリッドステートデバイス内でインダクタンスを生成する手段の制限もあって、信号伝送における抵抗-容量(RC) 遅延はフィーチャサイズの縮小に伴って増大しており、周波数の増加では対処できない別のボトルネックが生じています。

信号伝送におけるRC遅延は、「クロックレート対IPC：従来のマイクロアーキテクチャの終焉」[ 41 ]でも指摘されており、2000年から2014年の間にCPUパフォーマンスが年間平均最大12.5％向上すると予測されています。

異なる概念は、プロセッサとメモリの性能ギャップである。これは、2Dチップでは離れているロジックとメモリの距離を縮める3D集積回路によって対処できる。 [ 42 ]メモリサブシステムの設計では、時間とともに拡大しているこのギャップに焦点を当てる必要がある。[ 43 ]このギャップを埋める主な方法は、キャッシュの使用である。キャッシュとは、プロセッサの近くに最近の操作や命令を格納する少量の高速メモリであり、頻繁に呼び出される操作や命令の実行を高速化する。この拡大するギャップに対処するために複数レベルのキャッシュが開発されており、現代の高速コンピュータの性能は進化するキャッシュ技術に依存している。[ 44 ]プロセッサ速度の向上とメインメモリアクセスの速度低下の間には、最大53%の差が生じる可能性がある。[ 45 ]

ソリッドステートハードドライブの速度は向上を続けており、2012年のSATA3経由の約400Mbit/sから、 2024年にはNVMe / PCIe経由の約7GB/sへと向上し、RAMとハードディスクの速度の差は縮まっています。ただし、RAMは依然として桁違いに高速であり、シングルレーンのDDR5 8000MHzで128GB/s、最新のGDDRはさらに高速です。高速で安価な不揮発性ソリッドステートドライブは、サーバーファームですぐに利用できるように特定のデータを保持するなど、以前はRAMが担っていた一部の機能を置き換えています。1テラバイトのSSDストレージは200ドルで入手できますが、1テラバイトのRAMは数千ドルかかります。[ 46 ] [ 47 ]

タイムライン

スラム

DRAM

SDRAM

SGRAM

参照

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