【DRAM/SRAM】RAMの分類と基本原理まとめ【備忘録-基本情報技術者試験対策 #19】

※2024/5/17更新

※ 本記事では、基本情報技術者試験の対策として私が勉強したことを備忘録的にまとめておきたいと思います。
少しでも参考になれば嬉しいです。

はじめに

さて今回は、基本情報技術者試験対策として、RAM（Random Access Memory）の分類と基本原理についてまとめたいと思います。

メモリとは、まさにコンピュータの命を支える源です。

本記事では先ず、RAMの基本概念に迫ります。メモリの役割や重要性を理解することで、コンピュータのデータの取り扱いに対する理解が深まります。

そして、そのさらなる深層へと進み、DRAM（Dynamic RAM）とSRAM（Static RAM）の特徴や仕組みに迫ります。それぞれのメモリの違いを把握することで、コンピュータの効率的な運用が可能になります。

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RAM（Random Access Memory）の基本概念と特徴

メモリとは何か？

いきなりRAMの解説へと入る前に、まずはメモリとは何かについて、軽く触れておきましょう。

メモリ（Memory）は、コンピュータがデータを読み書きするためのストレージ領域であり、一時的にデータを保持する役割を担っています。コンピュータがアプリケーションを実行したり、データを処理したりする際に、必要な情報をメモリに格納して高速にアクセスすることができます。

主なメモリの種類としては、以下の3つが挙げられます。

1. RAM（Random Access Memory）：
   RAMはコンピュータの主記憶装置であり、高速なデータアクセスと一時的なデータ保持能力を持ちます。電源が切れるとデータが消えるため、一時的なデータのみを保存します。

2. ROM（Read Only Memory）：
   ROMは読み取り専用のメモリであり、コンピュータの基本的な動作情報やファームウェアが格納されています。書き換えることができないため、永続的な情報を保存するのに適しています。
   ROMについては、次の記事で解説しますね。

3. HDD / SSD：
   HDDはデータを永続的に保存するための補助記憶装置であり、大容量のデータを格納できますが、RAMに比べてアクセス速度は遅めです。
   SSDは、HDDの遅さをカバーし、より高速なデータ処理を実現することができます。

メモリとは直接関係ありませんが、ハードウェア全般にまとめている記事もありますので、是非そちらも読んでいただけると嬉しいです！

RAMの役割と重要性

さて、ではRAMについてです。

RAM（Random Access Memory）は、コンピュータやスマートフォンなどのデバイスにおいて、一時的にデータを読み書きする重要なコンポーネントです。CPU（中央演算処理装置）と密接に連携し、アプリケーションの実行やデータの取得に必要なデータを保持しています。

RAMの主な特徴は、高速なデータアクセスと一時的なデータ保持能力です。

データがRAM内に保存されている間は、CPUが高速にアクセスしてデータを処理できるため、アプリケーションの応答性やパフォーマンスが向上します。しかし、RAM内のデータはデバイスの電源が消えると失われてしまいます。この性質を「揮発性」と呼びます。

RAMは容量や速度によって異なる種類があります。一般的に、大容量のRAMや高速なRAMは、より多くのデータを一度に処理できるため、多くのアプリケーションを同時に実行する場合や、大規模なデータ処理を行う場合に有利です。ただし、高性能のRAMはコストが高く、一般的なコンピューティングタスクには必ずしも必要ではありません。

また、RAMは頻繁にアクセスされるデータを一時的に保存するため、SSD（Solid State Drive）などの永久的なストレージとは異なります。SSDはデータを永続的に保存しますが、RAMはデータが一時的にのみ保持されるため、データを長期間保存するには別途バックアップが必要です。

要約すると、RAMはデバイスのパフォーマンスに重要な役割を果たし、高速なデータアクセスと一時的なデータ保持能力が特徴です。適切な容量と速度のRAMを選択することで、スムーズなコンピュータ体験を実現することができます。

主なRAMの種類

次に、RAMの主な種類について見ていきましょう。

主なRAMの種類にはDRAM（Dynamic RAM）とSRAM（Static RAM）があります。

DRAMは比較的安価で大容量なメモリであり、主にメインメモリとして使用されます。

一方、SRAMは高速で低消費電力なメモリであり、キャッシュメモリとしてCPUに近い位置に配置され、高速なデータアクセスを可能にします。

DRAM（Dynamic RAM）の特徴と利用方法

DRAMの基本原理

DRAMは、セルと呼ばれる情報を保持するための小さな容量の領域で構成されており、各セルは情報を0または1のビットで表現します。

セルは、トランジスタとコンデンサの組み合わせで構成されています。コンデンサが情報を保持する役割を担っており、トランジスタがコンデンサの電荷を読み書きするためのスイッチとしての役割を果たします。

情報を読み取る際には、トランジスタを介してコンデンサの電荷が測定されます。電荷の有無によって、情報が0または1であるかが判断されます。情報を書き込む際には、電荷の量を変えることで情報を表現します。ただし、電荷が時間とともに減少するため、定期的なリフレッシュが必要となります。

DRAMの特徴

DRAMの基本原理はよく分かりましたかね？？

それらを理解していると、以下のような特徴がしっくりくるはずです。大切な特徴なので、しっかりとおさえておきましょう。

1. リフレッシュが必要：
   DRAMは「Dynamic」という名前の通り、情報を一時的に保持するために、定期的に情報を更新する必要があります。これをリフレッシュと呼びます。他のメモリ技術とは異なり、DRAMは電気的な信号を使って情報を保持するため、情報が消えてしまうことを防ぐために定期的なリフレッシュが必要です。

2. 高い容量とコスト効率：
   DRAMは高い容量を持つメモリ素子として知られています。これは、DRAMチップ内に多数のセルを詰め込むことができるためです。そのため、比較的安価に大容量のメモリを提供できる利点があります。

3. 高速なアクセス速度：
   DRAMは、情報の読み書きが高速に行われる特性を持っています。これは、情報を読み書きするために電気信号を使っているためです。したがって、コンピュータの処理速度を高めるのに適しています。

主記憶装置としてのDRAM

DRAMSは、コンピュータの主記憶装置として広く使われています。

技術の進化により、より高性能なメモリ技術が開発されてきていますが、DRAMは依然として重要な役割を果たしており、高い容量とコスト効率、高速なアクセス速度が求められるシステムにおいて広く利用されています。

今後は、DRAMの性能向上とリフレッシュの頻度削減など、より効率的な利用を目指す研究が進められると予想されます。また、DRAMと他のメモリ技術との組み合わせにより、さらなる性能向上が期待されます。

SRAM（Static RAM）の特徴と利用方法

SRAM の基本原理

SRAMはフリップフロップ回路と呼ばれる2つの安定な状態を持つ素子で構成されています。フリップフロップは、2つの反対の信号を受け取り、その結果に応じて情報を0または1のビットで表現します。

情報を読み取る際には、フリップフロップの状態を認識することで情報が0または1であるかが判断されます。一方情報を書き込む際には、フリップフロップの状態を変えることで情報を表現します。フリップフロップは外部からの信号を受け取ることで状態を変化させるため、高速なデータアクセスが可能となります。

このフリップフロップ回路は常に電力を必要とし、電源がオフになるとデータが消失します。一方で、コンデンサを使用しないため、DRAMよりも高速なアクセスが可能です。SRAMはキャッシュメモリやレジスタファイルなどの高速なメモリとして使用されます。

SRAMの特徴

SRAMの基本原理はよく分かりましたかね？？

それらを理解していると、以下のような特徴がしっくりくるはずです。大切な特徴なので、しっかりとおさえておきましょう。

1. リフレッシュが不要：
   SRAMは「Static」という名前の通り、情報を保持するために外部のリフレッシュを必要としません。これは、SRAMがフリップフロップと呼ばれる素子で構成されているためです。フリップフロップは、（電源につないでいれば）情報を保持し続けることができるため、定期的なリフレッシュが不要です。

2. 高速なアクセス速度：
   SRAMは、情報の読み書きが高速に行われる特性を持っています。これは、フリップフロップが情報をすぐに読み書きすることができるためです。そのため、コンピュータの処理速度を高めるのに適しています。

3. 高い安定性と信頼性：
   SRAMは、情報を保持するために外部のリフレッシュが不要なため、安定して情報を保持することができます。また、フリップフロップは少ない電力で動作するため、電力効率も高いと言えます。

キャッシュメモリとしての SRAM

SRAMはCPUに近い位置に配置されるキャッシュメモリとして広く使用されます。

これは、SRAMが高速なアクセス速度を有しているためです。CPUがデータを必要とする際に、SRAMは高速にデータを提供し、CPUの処理速度を向上させます。キャッシュメモリの効果的な使用は、コンピュータの全体的な性能向上に寄与します。

今後は、SRAMの性能向上と低消費電力化が進められると予想されます。また、SRAMと他のメモリ技術との組み合わせにより、より高性能なメモリシステムが実現される可能性もあります。

おわりに

さて今回は、基本情報技術者試験対策として、RAMの分類と基本原理についてまとめました。

DRAMとSRAMの違い、しっかりと理解できましたでしょうか？？

結構試験でも問われるイメージですので、これを機会に知識を身に着けておきましょうね。

以下にも特徴をまとめておきます。忘れたら定期的に見返しましょう！

さて、RAMについてはこれで以上です。

次回は先述の通り、ROMについてまとめますのでお楽しみに～

前回まとめた記事も読んでもらえると嬉しいです！

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