コンピュータメモリ

RAM ICはオレンジ色の金属製ヒートシンクで覆われており、ヒートシンクの下のプリント基板にはんだ付けされています。プリント基板の一部は、ヒートシンクの下に緑色の帯として見えます。コンピューターに挿入される金色の接点は、一番下にあります。
DDR4 SDRAMモジュール。2021年現在、PCやサーバーで使用されているコンピュータメモリの90%以上がこのタイプです。[ 1 ]

コンピュータメモリは、データやプログラムなどの情報をコンピュータ内で即時使用するために保存します。[ 2 ]コンピュータが実行する命令、およびそれらの命令によって取得・保存されるデータは、コンピュータメモリに格納されます。コンピュータメモリには、 「メモリ」、「主記憶」、「一次記憶装置」という用語も使用されます。

コンピュータメモリは、ランダムアクセスメモリを意味するRAMと呼ばれることがよくありますが、ドラムメモリなどの古い形式のコンピュータメモリの中にはランダムアクセスではないものもあります。メインメモリの古い同義語には、コア（磁気コアメモリ）やストアなどがあります。[ 3 ]

メインメモリは、低速ではあるもののビット単価が安く、容量が大きい大容量記憶装置に比べて高速に動作します。コンピュータメモリは、実行中のプログラムや処理中のデータを保存するだけでなく、大容量記憶装置のキャッシュや書き込みバッファとして機能し、読み取りと書き込みのパフォーマンスを向上させます。オペレーティングシステムは通常、実行中のソフトウェアに必要とされない限り、キャッシュのためにRAM容量を借ります。 [ 4 ]必要に応じて、コンピュータメモリの内容をストレージに転送できます。これを行う一般的な方法は、仮想メモリと呼ばれるメモリ管理技術を使用することです。

現代のコンピュータメモリは半導体メモリとして実装されており、[ 5 ] [ 6 ]データは集積回路上のMOSトランジスタやその他の部品で構成されたメモリセル内に格納されます。[ 7 ]半導体メモリには、主に揮発性と不揮発性の2種類があります。不揮発性メモリの例としては、フラッシュメモリやROM、PROM、EPROM、EEPROMメモリなどがあります。揮発性メモリの例としては、一次記憶装置として使用されるダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）や、主にCPUキャッシュとして使用されるスタティックランダムアクセスメモリ（SRAM）などがあります。

ほとんどの半導体メモリは、1ビット（0または1）をそれぞれ記憶するメモリセルで構成されています。フラッシュメモリの構成には、メモリセルあたり1ビットのメモリセルと、セルあたり複数ビットを記憶できるマルチレベルセルの両方が含まれます。メモリセルは、固定ワード長（例えば、1、2、4、8、16、32、64、または128ビット）のワードにグループ化されます。各ワードにはNビットのバイナリアドレスでアクセスでき、メモリに 2Nワードを記憶できます。

歴史

コンピュータメモリとストレージの史上最低小売価格
初期のパンチ乗算計算機であるIBM 602で使用された電気機械式メモリ
ENIACの裏面の詳細。真空管が見える。
1951年頃、IASコンピュータ のメモリとして使用されたウィリアムズ管
8バイトの磁気コア メモリ(1コアは 1ビット)を搭載した8 GB のmicroSDHCカード。    

1940年代初頭、メモリ技術は数バイト程度の容量しか許容しませんでした。最初の電子式プログラム可能デジタルコンピュータであるENIACは、数千本の真空管を使用し、真空管に蓄えられた10桁の10進数20個の数値を使った簡単な計算を実行できました。

コンピュータメモリにおける次の大きな進歩は、 1940年代初頭にJ・プレスパー・エッカートによって開発された音響遅延線メモリでした。水銀を充填し、両端を水晶で塞いだガラス管を遅延線に通すことで、水晶がビットの読み書きを行う変換器として機能し、水銀中を伝播する音波の形でビット情報を保存できるようになりました。遅延線メモリの容量は数千ビット程度に限られていました。

遅延線に代わる2つの方式、ウィリアムズ管とセレクトロン管は1946年に誕生しました。どちらもガラス管内の電子ビームを記憶装置として利用していました。ブラウン管を用いて、フレッド・ウィリアムズはウィリアムズ管を発明しました。これは世界初のランダムアクセス・コンピュータ・メモリでした。ウィリアムズ管はセレクトロン管よりも多くの情報を記憶することができ（セレクトロン管は256ビットに制限されていたのに対し、ウィリアムズ管は数千ビットを記憶可能）、価格も低かったです。しかし、ウィリアムズ管は環境による擾乱に非常に敏感でした。

1940年代後半、不揮発性メモリの開発が始まりました。磁気コアメモリは、電源喪失後でも記憶の呼び出しを可能にしました。1940年代後半にフレデリック・W・ヴィーエとアン・ワンによって開発され、 1950年代初頭にジェイ・フォレスターとジャン・A・ラジマンによって改良された後、 1953年にWhirlwind Iコンピュータによって商用化されました。 [ 8 ]磁気コアメモリは、1960年代にMOS半導体メモリが開発されるまで、メモリの主流でした。 [ 9 ]

最初の半導体メモリは、1960年代初頭にバイポーラトランジスタを使ってフリップフロップ回路として実装されました。[ 9 ]個別デバイスで作られた半導体メモリは、 1961年にテキサスインスツルメンツ社からアメリカ空軍に初めて出荷されました。同じ年、集積回路(IC) チップ上の固体メモリの概念が、フェアチャイルドセミコンダクタ社のアプリケーションエンジニアであるボブ・ノーマン氏によって提案されました。[ 10 ]最初のバイポーラ半導体メモリICチップは、1965年にIBMが発表したSP95でした。 [ 9 ]半導体メモリは磁気コアメモリよりも優れた性能を提供しましたが、サイズと価格が依然として大きく、1960年代後半まで磁気コアメモリに取って代わることはありませんでした。[ 9 ] [ 11 ]

MOSメモリ

金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET ）の発明により、金属酸化物半導体（ MOS ）トランジスタをメモリセル記憶素子として実用化することが可能になった。 MOS メモリは1964 年にフェアチャイルドセミコンダクタでジョン・シュミットが開発した。 [ 12 ] MOS半導体メモリは高性能であるだけでなく、磁気コアメモリより安価で消費電力も少なかった。[ 13 ] 1965 年に王立レーダー研究所の J. ウッドと R. ボールは、電源、スイッチ相互結合、スイッチ、遅延線記憶用のMOSFETパワーデバイスに加えて、CMOS （相補型MOS ）メモリセルを使用するデジタル記憶システムを提案した。[ 14 ] 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[ 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流のメモリ技術となった。[ 13 ]

揮発性ランダムアクセスメモリ（RAM）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。バイポーラ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・ノーマンによって発明され、[ 9 ]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。[ 13 ] SRAMは磁気コアメモリの代替となりましたが、データビットごとに6つのトランジスタが必要です。 [ 17 ] SRAMの商用利用は、1965年にIBMがSystem/360 Model 95向けにSP95 SRAMチップを発表したときに始まりました。[ 9 ]

東芝は1965年にToscal BC-1411電子計算機用にバイポーラDRAMメモリセルを導入した。 [ 18 ] [ 19 ]性能は向上したが、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なかった。[ 20 ] MOS技術は現代のDRAMの基礎となっている。1966年、IBMトーマス・J・ワトソン研究所のRobert H. DennardはMOSメモリの研究をしていた。MOS技術の特性を調べているうちに、彼はコンデンサを作ることが可能であり、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、MOSトランジスタで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。これが彼のシングルトランジスタDRAMメモリセルの開発につながった。[ 17 ] 1967年、DennardはMOS技術をベースにし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。[ 21 ]これにより、 1970年10月に最初の商用DRAM ICチップであるIntel 1103が誕生しました。 [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]その後、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チップでデビューしました。[ 25 ] [ 26 ]

メモリという用語は、読み出し専用メモリ（ROM）から現代のフラッシュメモリに至るまで、不揮発性メモリを指す場合にもよく使用されます。プログラマブル読み出し専用メモリ（PROM）は、1956年にアメリカのボッシュ・アルマ・コーポレーションのアルマ部門に勤務していたウェン・チン・チョウによって発明されました。 [ 27 ] [ 28 ] 1967年、ベル研究所のダウォン・カーンとサイモン・ゼーは、MOS半導体デバイスのフローティングゲートを再プログラム可能なROMのセルに使用できることを提案し、これが1971年にインテルのドブ・フローマンがEPROM（消去可能PROM）を発明することにつながった。 [ 29 ] EEPROM （電気的に消去可能なPROM）は、1972年に電気技術研究所の樽井康雄、林豊、永清子によって開発されました。[ 30 ]フラッシュメモリは、1980年代初頭に東芝の舛岡富士夫によって発明されました。 [ 31 ] [ 32 ]増岡らは1984年にNORフラッシュの発明を発表し、[ 33 ]その後1987年にNANDフラッシュを発表した。 [ 34 ]東芝は1987年にNANDフラッシュメモリを商品化した。[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]

技術の発展と規模の経済により、いわゆる超大容量メモリ（VLM）コンピュータ。 [ 37 ]

ボラティリティカテゴリー

揮発性メモリ

異なるタイプの DRAM を搭載したさまざまなメモリ モジュール (上から下へ): DDR SDRAM、SDRAM、EDO DRAM、FPM DRAM

揮発性メモリは、保存された情報を維持するために電力を必要とするコンピュータメモリです。現代の半導体揮発性メモリのほとんどは、スタティックRAM（SRAM）またはダイナミックRAM（DRAM）のいずれかです。[ a ] DRAMはデスクトップシステムのメモリとして主流です。SRAMはCPUキャッシュとして使用されます。また、SRAMはメモリをあまり必要としない 小型の組み込みシステムにも使用されています。

SRAMは電源が接続されている限り内容を保持し、よりシンプルなインターフェースを使用する場合もありますが、一般的には1ビットあたり6個のトランジスタを使用します。ダイナミックRAMはインターフェースと制御がより複雑で、内容の消失を防ぐために定期的なリフレッシュサイクルが必要ですが、1ビットあたり1個のトランジスタと1個のコンデンサのみを使用するため、はるかに高い密度とはるかに低いビットあたりのコストを実現できます。[ 2 ] [ 23 ] [ 37 ]

不揮発性メモリ

不揮発性メモリは、電源が入っていない状態でも保存された情報を保持することができます。不揮発性メモリの例としては、読み出し専用メモリ、フラッシュメモリ、ほとんどの種類の磁気式コンピュータ記憶装置（ハードディスクドライブ、フロッピーディスク、磁気テープなど）、光ディスク、そして磁気ドラム、紙テープ、パンチカードといった初期のコンピュータ記憶装置などが挙げられます。[ 37 ]

開発中の不揮発性メモリ技術には、強誘電体 RAM、プログラマブル メタライゼーション セル、スピン トランスファー トルク磁気 RAM、SONOS、抵抗ランダム アクセス メモリ、レーストラック メモリ、Nano-RAM、3D XPoint、ミリピード メモリなどがあります。

半揮発性メモリ

3つ目のメモリのカテゴリーは半揮発性です。この用語は、電源を切った後も一定期間不揮発性メモリとして機能しますが、その寿命が尽きるとデータは最終的に失われます。半揮発性メモリを使用する際の典型的な目標は、揮発性メモリの高い性能と耐久性を維持しながら、不揮発性メモリの利点もいくつか備えていることです。

例えば、一部の不揮発性メモリは書き込み時に摩耗します。摩耗したセルは揮発性が高まりますが、それ以外は動作を継続します。したがって、頻繁に書き込みが行われるデータ領域は、摩耗した回路を使用するように指示することができます。その領域が既知の保持時間内に更新される限り、データは有効です。一定期間更新されない場合、値は摩耗が少なく保持時間の長い回路にコピーされます。摩耗した領域に最初に書き込みを行うことで、摩耗していない回路の摩耗を防ぎながら、高い書き込み速度を実現できます。[ 38 ]

2つ目の例として、STT-RAMは大きなセルを構築することで不揮発性メモリにすることができますが、ビットあたりのコストと消費電力が増加し、書き込み速度が低下します。小さなセルを使用するとコスト、消費電力、速度は向上しますが、半揮発性の動作につながります。一部のアプリケーションでは、揮発性の増加を管理することで、不揮発性メモリの多くの利点を得ることができます。例えば、電源を切ってもデータが失われる前に強制的にウェイクアップしたり、読み取り専用データをキャッシュし、電源オフ時間が不揮発性しきい値を超えた場合にキャッシュデータを破棄したりすることができます。[ 39 ]

半揮発性という用語は、SRAMと不揮発性メモリを同一チップ上に統合したnvSRAMなど、他のメモリタイプから構成される半揮発性の動作を説明する際にも使用される。nvSRAMでは、外部信号によって揮発性メモリから不揮発性メモリにデータがコピーされるが、コピーが行われる前に電源が切断されるとデータは失われる。別の例としては、外部電源の喪失に備えて外部バッテリーを使用してメモリデバイスに電力を供給するバッテリーバックアップRAMがある。電源が長時間オフになっているとバッテリーが切れ、データが失われる可能性がある。[ 37 ]

管理

コンピュータシステムが正常に動作するには、メモリの適切な管理が不可欠です。現代のオペレーティングシステムは、メモリを適切に管理するための複雑なシステムを備えています。これがうまく機能しないと、バグが発生したり、パフォーマンスが低下したりする可能性があります。

バグ

メモリの不適切な管理は、次のような種類のバグやセキュリティ上の脆弱性の一般的な原因となります。

  • メモリリークは、プログラムがオペレーティングシステムにメモリを要求し、使用し終えてもメモリを返さない場合に発生します。このバグを持つプログラムは、徐々にメモリを要求し続け、オペレーティングシステムのメモリが不足するとプログラムが失敗するようになります。
  • セグメンテーション違反は、プログラムがアクセス権限のないメモリにアクセスしようとしたときに発生します。通常、このようなプログラムを実行すると、オペレーティングシステムによって強制終了されます。
  • バッファオーバーフローは、プログラムが割り当てられたメモリ領域の終端までデータを書き込み、その後、他の用途に割り当てられたメモリ領域を超えてデータの書き込みを続ける場合に発生します。これにより、メモリアクセスエラー、誤った結果、クラッシュ、システムセキュリティ侵害など、プログラムの異常な動作が発生する可能性があります。そのため、バッファオーバーフローは多くのソフトウェアの脆弱性の根底にあり、悪意を持って悪用される可能性があります。

仮想メモリ

仮想メモリは、物理メモリがオペレーティング システムによって、通常は多くの最新のCPUの一部であるメモリ管理ユニットの支援を受けて管理されるシステムです。仮想メモリでは、複数の種類のメモリを使用できます。たとえば、一部のデータを RAM に保存し、他のデータをハード ドライブ(スワップファイルなど) に保存して、キャッシュ階層の拡張として機能させることができます。これにはいくつかの利点があります。コンピュータ プログラマーは、データが物理的にどこに保存されるか、またはユーザーのコンピュータに十分なメモリがあるかどうかを心配する必要がなくなります。オペレーティング システムは、アクティブに使用されるデータをハード ディスクよりもはるかに高速な RAM に配置します。RAM の量が現在のすべてのプログラムを実行するのに十分でない場合は、タスクを実行するよりも、RAM とディスクの間でデータを移動する時間の方がコンピューターが費やす時間の方が長くなる可能性があります。これはスラッシングと呼ばれます。

保護されたメモリ

保護メモリとは、各プログラムが使用するメモリ領域を割り当てられ、その範囲外へのアクセスが禁止されるシステムです。オペレーティングシステムは、プログラムが自身のメモリ領域外を変更しようとしたことを検出すると、そのプログラムを終了させます（あるいは、アクセスを制限またはリダイレクトします）。これにより、問題のあるプログラムのみがクラッシュし、他のプログラムは（意図的か偶発的かを問わず）不正な動作の影響を受けません。保護メモリの使用は、コンピュータシステムの信頼性とセキュリティを大幅に向上させます。

保護されたメモリがないと、あるプログラムのバグが別のプログラムが使用するメモリを変更する可能性があります。その結果、別のプログラムは破損したメモリ上で実行され、予期せぬ結果をもたらす可能性があります。オペレーティングシステムのメモリが破損すると、コンピュータシステム全体がクラッシュし、再起動が必要になる場合があります。プログラムが他のプログラムが使用するメモリを意図的に変更することもあります。これは、コンピュータを乗っ取るためにウイルスやマルウェアによって行われます。また、他のプログラムを変更しようとする望ましいプログラム、例えばデバッガによって、ブレークポイントやフックを挿入するために悪用されることもあります。

参照

ウィキメディア コモンズには、コンピュータ メモリに関連するメディアがあります。

注記

  1. ^ SRAM や DRAM と競合したり、置き換えようとした他の揮発性メモリ技術には、 Z-RAMやA-RAMなどがあります。

参考文献

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さらに読む

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