Ibaraki Univ. Dept of Electrical & Electronic Eng.

Keiichi MIYAJIMA

2011. 7.23

メモリアーキテクチャメモリアーキテクチャ-- メモリ装置とメモリアーキテクチャメモリ装置とメモリアーキテクチャ --

メモリアーキテクメモリアーキテクチャチャメモリアーキテクメモリアーキテクチャチャ メモリ装置とは？

① メモリのアーキテクチャ　　－＞各種メモリ・階層構造

② メモリアーキテクチャの目的　　－＞効果的な使用　　－＞プログラムの効率的実行

メモリの構メモリの構成成メモリの構メモリの構成成

メモリセルをたくさん並べることにより構成されている。

セルそれぞれに 1 ビットの情報が入る

メモリセルマトリックス

メモリのアドレメモリのアドレススメモリのアドレメモリのアドレスス

メモリにはアドレスが割り振られている

1 バイト (8 ビット )

・

・

０　 ( ００００ )

アドレス（ 2 進数）

1 　 ( ０００１ )２　 ( ００１０ )３　 ( ００１１ )４　 ( ０１００ )

メモリの内部構メモリの内部構造造メモリの内部構メモリの内部構造造

列デコーダア

ドレ

ス

制御信号

バッファ

行デコー

ダ

メモリセルマトリックス制御回路

読み書き回路データ

アドレス情報はデコーダにより 2 次元のセルに対応される

メモリの種メモリの種類類メモリの種メモリの種類類

IC メモリを機能的に分類する大きく分けると ROM と RAM に分けられる

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROMOTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリ

SRAM

DRAM

ROMROMROMROM

ROM (read only memory)電源を切ってもデータは消えない（不揮発性）

ROM は MASK-ROM と PROM （ programmable ROM ）とに分けられる

電源を入れて最初に実行するプログラムなど、消えては困る情報を格納する。

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROM

OTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリSRAM

DRAM

その他、ゲームなど

メモリの種メモリの種類類メモリの種メモリの種類類

IC メモリを機能的に分類する大きく分けると ROM と RAM に分けられる

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROMOTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリ

SRAM

DRAM

MASK-ROMMASK-ROMMASK-ROMMASK-ROM

MASK-ROMIC 内部の配線によってデータを記憶•内容の後からの変更は不可能•内容の変更は IC そのものの作り直しとなるため、大変な作業と莫大な費用がかかる。•内容の変更がなく大量生産する場合は、量産効果により単価が一番安くなる。•安定性に優れている。

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROM

OTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリSRAM

DRAM

メモリの種メモリの種類類メモリの種メモリの種類類

IC メモリを機能的に分類する大きく分けると ROM と RAM に分けられる

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROMOTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリ

SRAM

DRAM

PROMPROMPROMPROM

PROM (programmable ROM)ユーザが後からデータを書き込むことができるROM

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROM

OTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリSRAM

DRAM

PROM は大きく分けて

とに分けられる

OTPROM (one time PROM)

EPROM (erasable PROM)

•1 回のみ書き込みが行える

•何度も書き込みが行える•さらに UV-EPROM, EEPROM, フラッシュメモリに分けられる

メモリの種メモリの種類類メモリの種メモリの種類類

IC メモリを機能的に分類する大きく分けると ROM と RAM に分けられる

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROMOTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリ

SRAM

DRAM

UV-EPROMUV-EPROMUV-EPROMUV-EPROM

UV-EPROM (ultra violet EPROM)記憶内容の消去に紫外線を用いる

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROM

OTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリSRAM

DRAM

紫外線消去型 EPROM

EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM

EEPROM (electrically EPROM)電源電圧より高い電圧をかけることにより、電気的にデータを消去でき、基盤に実装したままデータを消去して書き換えが可能

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROM

OTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリSRAM

DRAM

1 ビットだけ書き換えると行ったような、細かい操作は出ない。全てのビットをいったん消去して書き換えなければならない。

フラッシュメフラッシュメモリモリフラッシュメフラッシュメモリモリフラッシュメモリ

EEPROM の欠点を改良したメモリ

ブロック単位での消去／書き込みが可能

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROM

OTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリSRAM

DRAM

デジタルカメラやゲーム機のメモリカード、 PC 等に使われるメモリスティックなど現在幅広く使われている。

メモリの種メモリの種類類メモリの種メモリの種類類

IC メモリを機能的に分類する大きく分けると ROM と RAM に分けられる

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROMOTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリ

SRAM

DRAM

RAMRAMRAMRAM

RAM (random access memory)任意に読み書きできる

電源を切るとデータは消える（揮発性）

RAM は SRAM と DRAM とに分けられる

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROM

OTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリSRAM

DRAM

SRAMSRAMSRAMSRAM

SRAM (static RAM) フリップフロップ回路によって構成

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROM

OTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリSRAM

DRAM

•電源さえ供給されていれば記憶内容を保持することが可能•読み書きの速度が高速•1 メモリセルあたりの回路が複雑であるため、大容量化が難しく、コスト高

キャッシュメモリなど、コストより速度を重視する分野に使用される。

DRAMDRAMDRAMDRAM

DRAM (dynamic RAM) コンデンサによって構成

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROM

OTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリSRAM

DRAM

•コンデンサなので記憶内容の保持に頻繁なリフレッシュが必要•リフレッシュ中はデータの読み書きができないので動作速度が SRAM より遅くなる•1 メモリセルあたりの回路が簡単であるため、大容量化が容易、コスト安

コンピュータの主記憶装置として使われる

DRAMDRAM ととSRAMSRAMDRAMDRAM ととSRAMSRAM

DRAMDRAM のアクセス時間とサイのアクセス時間とサイクルクルDRAMDRAM のアクセス時間とサイのアクセス時間とサイクルクル

DRAMDRAMDRAMDRAM

DRAM (dynamic RAM) コンデンサによって構成

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROM

OTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリSRAM

DRAM

•コンデンサなので記憶内容の保持に頻繁なリフレッシュが必要•リフレッシュ中はデータの読み書きができないので動作速度が SRAM より遅くなる•1 メモリセルあたりの回路が簡単であるため、大容量化が容易、コスト安

コンピュータの主記憶装置として使われるこの DRAM にもアクセス高速化のためいくつかの種類がある

メモリの並列動メモリの並列動作作メモリの並列動メモリの並列動作作インタリープ：

メモリをバンクと呼ばれる単位に分割して、それぞれ独立してアクセスできるようにする

1バンク A

バンク B

見かけ上のアクセス

3 5 7

2 4 6 8

1

時間

2 3 4 5 6 7 8

見かけ上のアクセス時間を半分にできる

メモリインターリープのメモリインターリープの構成構成メモリインターリープのメモリインターリープの構成構成

DRAMDRAM の高速の高速化化DRAMDRAM の高速の高速化化

CPU の高速化←クロック速度の上昇→メモリアクセス速度向上の必要性

IC メモリ

ROM

RAM

MASK-ROM

PROM

OTPROM

EPROM

UV-EPROM

EEPROM

フラッシュメモリSRAM

DRAM

•SRAM：アクセスタイム 2～ 25ns 、 1万円～ 2万円／ 1 メガバイト•DRAM：アクセスタイム 60～ 120ns 、 200円～ 500円／ 1メガバイト•ハードディスク：アクセスタイム 10^7ns 、 10円～ 20円／ 1メガバイト

（ 1998年頃）

（元データは古いが、アクセスタイムとコストの関係は今も変わっていない）

SDRAMSDRAM ととDDRRAMDDRRAMSDRAMSDRAM ととDDRRAMDDRRAMDDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)

SDRAM （ Synchronous DRAM ）に代わって、パソコン用のメモリの主流の地位を占めるようになったのが、 DDR SDRAM

SDRAM… クロック信号の 立ち上がりを使ってデータの転送を行う（立ち上がりのみに同期）DDR SDRAM… クロック信号の 立ち上がりと、立ち下りの両方を使ってデータを転送を行う（立ち上がりと立下りに同期）

この結果、 DDR SDRAM は、 1 クロックで 2 回のデータ転送を行えるようになり、 SDRAM と比べて、理論的には最大 2倍のデータ転送速度が得られる。

SDRAMSDRAMSDRAMSDRAM

DDR RAMDDR RAMDDR RAMDDR RAM

DDR RAMDDR RAM の形状の形状DDR RAMDDR RAM の形状の形状DDR RAM は、 Athlon 、 Duron 用の主力メモリであり、 Coreシリーズ用のマザーボードの大半も、このタイプのメモリを使用します。

現在の主流は DDR３と呼ばれるタイプで、そのデータ転送速度は２１．２ GB／ sec（ 1333のデュアルモード）。

DDR SDRAMDDR SDRAM の形状の形状DDR SDRAMDDR SDRAM の形状の形状

RD RAMRD RAMRD RAMRD RAMRamubus 社が開発した、高速メモリチップの名称。SDRAM の網目構造と違って、メモリチップが直列に並んでいるのが大きな特徴。現在は、データの転送方式を改良した Direct RDRAM が登場しており、パソコン向けのメインメモリやグラフィックスカードのビデオメモリとして採用

　 RDRAM のメモリモジュールの形状は、 RIMM （ RambusIn-line Memory Module ）と呼ばれ、 184 個のピン（端子）がある。

RDRAMRDRAM の形の形状状RDRAMRDRAM の形の形状状

メモリの階層構メモリの階層構造造メモリの階層構メモリの階層構造造

CPU（レジス

タ）キャッシュメ

モリメインメモリ

ハードディスク（仮想記

憶）外部記憶装置

ネットワーク （インターネット）

高速

大容量

次世代のメモ次世代のメモリリ次世代のメモ次世代のメモリリQRSL (Quad Rambus Signaling Level)

クロック数を上げるために 1 クロックあたり 4値の低振幅信号を使うことで高速なデータ 転送速度を実現した．

次世代のメモ次世代のメモリリ次世代のメモ次世代のメモリリ

次世代の不揮発メモリ

次世代のメモ次世代のメモリリ次世代のメモ次世代のメモリリ

FeRAM （ Ferroelectric RAM ） （強誘電

体）

次世代のメモ次世代のメモリリ次世代のメモ次世代のメモリリ

Magnetic RAM

次世代のメモ次世代のメモリリ次世代のメモ次世代のメモリリ

次世代の不揮発メモリ

次世代のメモ次世代のメモリリ次世代のメモ次世代のメモリリ

OUM （ Ovonic Unified Memory ）オブシンスキー効果

各種メモリの比較各種メモリの比較表表各種メモリの比較各種メモリの比較表表

補助記憶装置補助記憶装置補助記憶装置補助記憶装置

・ハードディスク　・半導体ディスク・ディスクキャッシュ・光磁気ディスク（ Magneto Optical disk)・光ディスク・磁気テープ・ディスクアレイ・フロッピーディスク・フラッシュメモリ・ネットワークファイル装置

これらの装置については説明不要だと思うので説明しない。

本日のまと本日のまとめめ本日のまと本日のまとめめ

1. メモリの構成

2. メモリの種類

3. メモリの高速化手法

4. メモリの階層構造

5. 次世代のメモリ

メモリアーキテクチャメモリアーキテクチャ１１-- メモリ装置とメモリアーキテクチメモリ装置とメモリアーキテクチャャ --

本日の課題本日の課題本日の課題本日の課題1．次の４つの記憶装置をアクセス時間の短い順に並べ替えよ。

２． SRAM と DRAM についてその特徴と用途の違いを記述せよ。３．メモリインターリープについて記述せよ

（ H11年秋 , H13年春 秋 , H14年秋 , H17年春 , H18年秋　改題）

（ H20年改）

（ H16年春 , H10年春　改題）

ア． CPU の 2 次キャッシュメモリイ． CPU のレジスタウ．ハードディスク（磁気ディスク）エ．主記憶（メインメモリ）