コンピュータのメモリの仕組みはどうなってるの?

コンピュータのメモリの仕組みはどうなってるの? 1

RAM、DRAM、SRAM、SSD、HDD…コンピュータやスマートフォンのメモリーに使われている、アルファベットをかき集めたような言葉。これだけを見てすぐになんのことかすべてわかるという人のほうが少ないでしょう。さらには、いったいそれらの文字の羅列がどういう意味で、どう機能しているのかを理解するのはもっと難しいですよね。

こちらのTED-Edの動画では、コンピュータのRAM(ランダム・アクセス・メモリ)がまるで人間の記憶のように動くその仕組みが紹介されています。DRAMとSRAMの違いを知らなかった? なぜ時代遅れのストレージの代わりに、新しいノートパソコンにはSSDが入っているの? その答えはこの5分の動画が全部教えてくれます。

プログラムやファイルは、通常ビットとよばれる0と1の集まりである「2進数(Binary Digit)」であらわされ、メモリセル内に記録されています。このビット(Bit)という言葉自体が「2進数(Binary Digit)」の略称ということなんです。それらはコンピュータの脳であるCPU(中央処理装置)で処理されます。

コンピュータは私たちの脳でたとえるなら、基本的に今やっていることに関する「短期記憶」しか持ち合わせません。「長期記憶」には、記憶用のストレージが必要です。プログラムを動かすと、OSは短期記憶内にプログラムを実行するための場所を割り当てます。たとえばなにかのソフトウェアでキーを押すと、CPUが短期記憶にアクセスしデータを取得し、それを変化させたり新たにものを作ったりするのです。このデータ取得から結果がでるまでにかかる時間を「レイテンシ」とよびます。

プログラム命令は即座に、そして絶え間なく処理されなくてはならず、短期記憶内のすべての場所にどんな順番でもアクセスできなくてはなりません。そのため「RAM(ランダム・アクセス・メモリ)」と名づけられているのです。

いちばん一般的なのはDRAM(ダイナミックRAM)です。それぞれのメモリセルには小さなトランジスタとキャパシタが入っており、0のときには電荷がなく、1のときには電荷がある状態となっています。ダイナミックという名前は、電荷を一時的に保つという動的な機能に由来しています。

データを保つには定期的に電荷をチャージしなければなりません。レイテンシが100ナノ秒と遅く、最新式のCPUに実装するにはこのレイテンシでは処理時間がかかりすぎます。このレイテンシを速くするために、CPUには小さな高速の内部メモリキャッシュが存在します。これはSRAM(スタティックRAM)といい、通常6つのインターロック・トランジスタ(連結したトランジスタ)が入っています。SRAMはデータの再読み込みを毎回する必要がないメモリで、これがないためにレーテンシは短くなります。コンピュータの中でいちばん高速なメモリですが、同時にいちばん高価でサイズも大きく、DRAMの3倍もの場所をとることも

DRAMもSRAMも電気がきていないとメモリを保存できません。電気が通っていない状態でデータを記憶するには、長期記憶が必要です。長期記憶は主に3タイプあり、いちばん安いタイプが磁気ストレージです。これは磁気フィルムコーティングされた回転ディスクに磁気パターンでデータを記録するものです。が、データが保存されている場所までディスクが回転しなければならずレイテンシはとても遅く、DRAMの10万分の1ほど。

DVDやBlu-rayのようなストレージタイプは光学ストレージとよばれます。こちらも回転するディスクですが、コーティングは反射素材となっており、明るい部分と暗い部分をつくることでデータを保存し、レーザーを使ってそれを読み取る仕組みとなっています。光学ストレージは安価でリムーバブルですが、磁気ストレージよりもレイテンシは遅く、容量も少ないです。

いちばん新しくいちばん早いタイプのストレージは、SSD(ソリッド・ステート・ドライブ)です。フラッシュ・ドライブなどがそれで、動くパーツはなく、フローティング・ゲート・トランジスタで動きます。これは内部の部品に電荷を捕えたり開放したりしてデータを保存する仕組みです。

長期記憶データは永遠に残る…と思いたいですが、一般に考えられているより早くデータは劣化します。デバイス自身や周りからの熱はハードドライブを消磁してしまいますし、光学メディアの書き込まれた部分も劣化し、SSDでも電荷が漏れ出すことがあります。SSDには別の弱点もあります。フローティング・ゲート・トランジスタに何度も書きこんでいると腐食してしまい、最終的には使えなくなってしまいます。現行のデータ保存メディアの寿命は10年以下ともいわれています

この限界を、科学者たちは量子レベルで物理特性を活用することでどうにか突破できないか研究しているようですが、人間もコンピュータも永遠の命を得ることは今のところは無理のようです。

source: TED-Ed

Darren Orf - Gizmodo US[原文

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