メモリ階層とDRAM規格・モジュール

キャッシュメモリ は、CPU と主記憶の間に置かれ、よく使うデータや命令の写しを持つ 高速・小容量 のメモリである。

CPU は主記憶よりはるかに速く動作するため、毎回主記憶を読みに行くと CPU に待ち時間が生じる。そこで使う見込みの高いデータをキャッシュメモリに置き、目的のデータがそこで見つかる (ヒット) 割合を高めて待ちを減らす。容量が小さいので、満杯になると例えば最後に使ってから最も時間がたったデータを追い出して入れ替える (LRU 方式)。

たとえ台所で、使った調味料はそのままコンロの脇に残り、脇が埋まると、いちばん長く使っていないものから奥の棚へ戻していくようなもの。

覚え方英語の cache は「隠し場所・蓄え」の意味。手元にこっそり蓄えておく場所と覚える。

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主記憶 (メインメモリ) は、実行中のプログラムとデータを置き、CPU が 直接読み書き する中心のメモリである。

主記憶の格納場所には番号である アドレス が付けられ、CPU はアドレスを指定して命令やデータを読み書きする。素子には主に DRAM が使われ、DRAM は記憶を保つために定期的な再書込み (リフレッシュ) を必要とする。電源が切れると内容が消える 揮発性 のメモリなので、残したいデータは補助記憶に保存する。

たとえ作業中の書類を広げる作業台。台が広いほど、多くの書類を同時に広げて作業できる。

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補助記憶 は、電源を切っても内容が残る 不揮発性 で大容量の記憶で、プログラムやデータを長く保存しておく場所である。

HDD や SSD、光ディスクなどの装置がこれに当たり、プログラムを実行するときは内容をいったん主記憶に読み込んで使う。記憶の階層は、CPU 内部で演算中の値を置く レジスタ を最上位に、レジスタ→キャッシュメモリ→主記憶→補助記憶の順に並び、下の層ほど遅いが容量当たりの価格が安い。補助記憶はこの中で最も遅い層だが、容量は最も大きい。

たとえ書類棚。出し入れには時間がかかるが多くの書類が収まり、部屋の明かりを消しても中身はそのまま残る。

覚え方PC の仕様表で「メモリ 16GB」とあれば主記憶、「ストレージ 512GB」とあれば補助記憶の容量を指すことが多い。

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DDR3 SDRAM は、主記憶に使われる DRAM の規格で、DDR 方式の SDRAM の系列の 第 3 世代 にあたる。

SDRAM は、動作のタイミングを刻む クロック 信号に同期して動く DRAM である。DDR (Double Data Rate) はクロックの立ち上がりと立ち下がりの両方でデータを送り、1 周期に 2 回転送する方式で、DDR3 はその 3 代目にあたる。

たとえメトロノームの「カチ」と「コチ」の両方で一歩ずつ進めば、同じテンポでも 2 倍の歩数になる。

覚え方DDR の Double は「1 拍で 2 回」の意味。後ろの数字は世代の番号で、容量や枚数ではない。

DDR4 SDRAM は、DDR3 SDRAM の後継で、DDR 方式の SDRAM の系列の 第 4 世代 にあたる DRAM 規格である。

DDR3 より転送速度が上がり、電源電圧を下げて消費電力を抑えている。モジュールの端子の数や切り欠き (ノッチ) の位置が DDR3 と異なるため、DDR3 用のスロットには差し込めない。

DDR5 SDRAM は、DDR4 SDRAM の後継で、DDR 方式の SDRAM の系列の 第 5 世代 にあたる DRAM 規格である。

DDR4 よりさらに転送速度を高め、電源電圧も下げている。電源を管理する回路をモジュールの上に載せるなど、内部の構成も見直された。

DIMM は、複数の DRAM チップを小さな基板に載せ、PC の メモリスロット に差し込んで主記憶として使う メモリモジュール の規格である。

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名前は Dual Inline Memory Module の略で、基板の表と裏の端子がそれぞれ別の信号を受け持つことに由来する。主にデスクトップ PC やサーバで使われ、載せる DRAM の世代ごとに専用の形がある。

たとえDRAM チップが部品なら、DIMM はそれを並べて差し込めるようにしたカートリッジにあたる。

覚え方Dual は「両面」。前身の SIMM (Single) は、表と裏の端子が同じ信号をつないでいた。

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SO-DIMM は、DIMM を小型にした メモリモジュール の規格で、主にノート PC や小型の機器の主記憶に使われる。

基板が短く端子の数も DIMM と異なるため、載っている DRAM の世代が同じでもデスクトップ用の DIMM スロットには差せない。設置場所の限られる小型のデスクトップ PC などでも使われる。

覚え方SO は Small Outline の略で、「外形が小さい」DIMM という意味。