情報システム論�

第4週!ハードウェアシステム !

（主記憶装置）!根来�均�

内容�

n  単位の復習!n  記憶装置の階層構造!n  各階層での各役割!n  半導体メモリの分類とトランジスタの構造!n  SRAM と DRAM の構造と種類!n  メモリに関する技術他�

単位の接頭語�1018 エクサ� exa- E

15 ペタ� peta- P 12 テラ� tera- T 9 ギガ� giga- G 6 メガ� mega- M 3 キロ� kilo- K -3 ミリ� milli- m -6 マイクロ� micro- μ -9 ナノ� nano- n -12 ピコ� pico- p -15 フェムト� femto- f

10-18 アト� atto- a

Memory (主記憶装置他)!

n  記憶装置の階層構造（記憶階層）�

演算ユニット�

Resister L1 Cache L2 Cache

Main Memory HD, CD, DVD …

CPU 内部�

PentiumM etc

高速�

大容量�

L3 Cache

Computer Architecture (再掲)!

Chip Set (North Bridge)

Main Memory

CPU Core/Chip CPU L1 Cache L2 Cache

Chip Set (South Bridge)

System Bus, FSB (超高速バス)

PCI Bus, Direct Media Interface, HyperTransport, Hub Interface （高速バス）�

Video Chip

HD

SCSI board

PCI slot

HD, CD/DVD Drive

USB FireWire Ethernet

PCI Bus

Mouse, Keyboard, Floppy ISA Bus (低速バス)

Computer Architecture (古い)!

Chip Set (North Bridge)

Main Memory

CPU Core/Chip CPU L1 Cache L2 Cache

Chip Set (South Bridge)

System Bus, FSB (超高速バス)

PCI Bus, Direct Media Interface, HyperTransport, Hub Interface （高速バス）�

Video Chip

HD

SCSI board

PCI slot

HD, CD/DVD Drive

USB FireWire Ethernet

PCI Bus

Mouse, Keyboard, Floppy ISA Bus (低速バス)

1-3.6 (-2.5) GHz

133-800 MHz (-1.25 GHz) 0.5-6.4(10) GB/s

33-133 MHz 66 MB/s -2(2.1) GB/s

33-66 MHz 133-533 MB/s

1 M ~ 1 G bps

100-266(200) MHz 0.8-8.4(6.4) GB/s PowerMac G5

LGA775 Pentium4 +Intel 925X chipset

~ 1/10 CPU

(HD 100 MB/s) ~ 1/50 Mem

各役割� n  レジスタ (Register)!n  CPU が処理を行う上で、一時的にデータを格

納する場所 !n  アキュムレータ（演算結果を格納）!n  スタックレジスタ（関数呼び出し等で再帰すべき位置

や、すぐに使用される値等を記憶しておく多段型の記憶領域）!

n  プログラムカウンタ（実行しているプログラム中の現在位置を記憶）!

n  汎用レジスタなど!n  CPU 内部にあり、動作が極めて高速。!n  記憶できる量をレジスタ長と言い、N bit のレジ

スタ長を持つ CPU を（一般に） N bit CPU と言う。!n  2000年後半に、CPU 自体は 32 bit CPU から 64 bit

CPU へ移行 (OS の 64 bit 化は遅れる) �

Resister L1 Cache L2 Cache

Main Memory L3 Cache

32 bit CPU マシンでは、 メモリも1ファイルの

サイズも232 byte = 4 GB が扱える「物理的」最大 サイズ。実際に扱えるサ

イズは OS に依存。 → 64 bit CPU: 扱えるメモリ の大きさが飛躍的に増大�

各役割�n  キャッシュメモリ (Cache)!

n  （最近 CPU が読み込んだ「付近の」）データや使用頻度の高いデータを(CPU とメインメモリの間に) 一時的に格納、メモリアクセスを効率化。!

n  CPU に近い方から、1次 (Level 1, Primary)、2次 (Level 2, 2nd)、3次 (Level 3, 3rd) キャッシュと呼ばれる。�

Resister L1 Cache L2 Cache

Main Memory L3 Cache

メインメモリ（主記憶装置） プログラムを起動することにより、その実行コードや必要なデータが格納される場所。�

Resister L1 Cache L2 Cache

Main Memory L3 Cache

Write Back/Through"ライトバック／ライトスルー方式�

CPU (core) �

Main Memory �

Cache �

CPU (core) �

Main Memory �

Cache �

Write Back � Write Through �

Cache へ書き込み Mem へはまとめて�

Mem へも毎回 書き込む�

CPU�(core) �不一致の危険性!→�処理複雑�

読み出し時のみ高速�

ヒット率と実効アクセス時間�

n  ヒット率!n  キャッシュにデータがあり、取り出せる確率!n  キャッシュにデータがあるとき、「ヒットする」という!

n  実効アクセス時間 Teff!n  Teff = Tcache x P + Tmem x (1-P)!! = Tcache x P + Tmem x NFP!!Tcache: キャッシュへのアクセス時間!

����Tmem : メモリ（主記憶装置）へのアクセス時間!����P : ヒット率, NFP (=1-P) : Not Found Probability!!�

半導体メモリ "の分類�

ROM (Read Only Memory) 書換え回数に 制限あり�

RAM (Random Access Memory)

DRAM (Dynamic-)

SRAM (Static-)

Read Only

Rewritable

MASKROM PROM OTPROM

EPROM（紫外線消去型）�

EEPROM（電気的消去型）�

Bipolar 型（昔）�MOS, CMOS 型�

(標準) DRAM RDRAM (Rambus -)

SDRAM (Synchronous -) DDR SDRAM (Double Data Rate -)

半導体メモリ "の分類�

ROM (Read Only Memory) 書換え回数に 制限あり�

RAM (Random Access Memory)

DRAM (Dynamic-)

SRAM (Static-)

Read Only

Rewritable

MASKROM PROM OTPROM

EPROM（紫外線消去型）�

EEPROM（電気的消去型）�

Bipolar 型（昔）�MOS, CMOS 型�

(標準) DRAM RDRAM (Rambus -)

SDRAM (Synchronous -) DDR SDRAM (Double Data Rate -)

メインメモリ�

キャッシュ�

フラッシュメモリ (EEPROM の一種)

DRAM と SRAM の 基礎の基礎技術 "ー 半導体 ー�

n  導体と絶縁体の中間の電気抵抗値を持つが、実際にはほとんど電気は流れない。!

n  純粋なシリコン Si に、微量の3価のガリウム(Ga) や5価のリン (P) を加える事によって、電気抵抗が 1/100-1/1000 となり、導体として利用できるようになる。�

Si

Ga

Si Si

Si Si

P

Si Si

Si

ホール�自由電子�

このような、電気伝導にあずかるホールや自由電子を「キャリヤ」という。�

半導体の重要な性質�

n  整流作用!n  P -> N 方向（順方向）のみ電流が流れる。!n  「ダイオード」!

n  増幅作用!n  整流作用を利用し、N-P-N, P-N-P と繋げることにより、

電流増幅が行われる。!n  「トランジスタ」→スイッチとして利用可�

DRAM と SRAM の 基礎技術"ートランジスタ (Transistor)ー�

n  バイポーラトランジスタ (Bipolar Transistor)!

e-

hole

e-

n型半導体�

p型�

n型�

+

- Base

Collector

Emitter

(npn型)

+

- Base

Collector

Emitter

Base 電流を流すことにより、「スイッチ」が入る （大量の C-E 電流が流れる。<- 増幅作用）�

DRAM と SRAM の 基礎技術"ートランジスタ (Transistor)ー�

n  バイポーラトランジスタ (Bipolar Transistor)!

e-

hole

e-

n型半導体�

p型�

n型�

+

- Base

Collector

Emitter

(npn型)

+

- Base

Collector

Emitter

Base 電流を流すことにより、「スイッチ」が入る （大量の C-E 電流が流れる。<- 増幅作用）�

詳しくは、物理学実験にて�

DRAM と SRAM の 基礎技術"ートランジスタ (Transistor)ー�

n  MOS 電界効果(FET)トランジスタ (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) - 現在のIC/LSI の基本素子!

�

Gate

Drain

Source

nチャンネル型�

CMOS: n型, p型 チャンネルを両方搭載したもの�

P

n

n Gate

Drain

Source

Gate 電圧をかけることにより、スイッチが入る （大量の D-S 電流が流れる。）�

DRAM と SRAM の 基礎技術"ートランジスタ (Transistor)ー�

n  MOS 電界効果(FET)トランジスタ (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) - 現在のIC/LSI の基本素子!

�

Gate

Drain

Source

nチャンネル型�

CMOS: n型, p型 チャンネルを両方搭載したもの�

P

n

n Gate

Drain

Source

Gate 電圧をかけることにより、スイッチが入る （大量の D-S 電流が流れる。）�

DRAM と SRAMのセル�n  DRAM!

n  Transistor + Condenser!

ビット線 (信号)

ワー

ド線

(スイ

ッチ

)

電荷の有無 <=> 1 bit

SRAM Flip-Flop

S

R

ワード線�

ワード線�

ビット線�

ビット線�

・�

・�

ex. 4トランジスタ型�

電源�

単純� 複雑�

D/SRAM: これらの素子が 1000以上 集まった LSI (Large Scale Integration)

SRAM vs DRAM!

n  SRAM (Static Random Access Memory) !n  0/1 の記憶をフリップフロップ (flip-flop) 型回路で構成（最近は MOS

トランジスタを使用）!n  電源の印加中、記憶情報が保持

n  アクセスが高速（→ キャッシュで利用）

n  DRAM (Dynamic Random Access Memory)!n  コンデンサ（キャパシタ）とトランジスタを用いて、コンデンサの電荷の

有無で 0/1 の記憶!n  単純な構造ゆえ、SRAM に比べ高集積化、低価格化が可能!

n  リーク電流により、記憶情報を保持するために、定期的にリフレッシュ動作が必要�

http://www.kayoo.org/home/mext/joho-kiki/

DRAM の種類�

n  SDRAM (Synchronous DRAM)!n  外部バスクロックと同期して動作し、連続したデータに高

速にアクセス可能!

n  DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM)!n  クロックの立ち上がりと立ち下がりを利用して、（立ち上が

りのみを利用する）SDRAM の転送レートを2倍にした規格!

n  現在のメモリの主流�

DDR SDRAM の種類�メモリチップ規格� メモりモジュール名� データ転送レート�

DDR 266-400! PC 2100-3200! 2.1-3.2 GB/s!

DDR2 400! PC2 - 3200! 3.2 GB/s!

DDR2 533-800! PC2 - 4200-6400! 4.2-6.4 GB/s !

DDR2 1000-1200! PC2 - 8000-9600! 8.0-9.6 GB/s!

DDR3 1066! PC3 - 8500! 8.5 GB/s!

DDR3 1333-1600! PC3 - 10600-12800! 10.6-12.8 GB/s!

DDR3 1800-2000! PC3 - 14400-16000! 14.4-16.0 GB/s!

DDR SDRAM の種類�メモリチップ規格� メモりモジュール名� データ転送レート�

DDR 266-400! PC 2100-3200! 2.1-3.2 GB/s!

DDR2 400! PC2 - 3200! 3.2 GB/s!

DDR2 533-800! PC2 - 4200-6400! 4.2-6.4 GB/s !

DDR2 1000-1200! PC2 - 8000-9600! 8.0-9.6 GB/s!

DDR3 1066! PC3 - 8500! 8.5 GB/s!

DDR3 1333-1600! PC3 - 10600-12800! 10.6-12.8 GB/s!

DDR3 1800-2000! PC3 - 14400-16000! 14.4-16.0 GB/s!

動作を保証するクロック数 (MHz 単位)

購入時注意�さらにアクセスの仕方の仕様を 定めた「レイテンシ (latency)」 の違い

があり、さらに複雑。(e.g., CL=3)

ノート用の Interface 規格で ある S.O.DIMM も有り�

SRAM vs DRAM まとめ�

構成要素� 速度� 集積度� refresh 価格� 用途�

SRAM Flip-Flop 回路� 高� 低� 不要� 高� レジスタ・キャッシュ�

DRAM コンデンサ+トランジスタ� 低� 高� 必要� 低� メインメモリ�

point: 複雑 vs 単純�

メモリに関する技術とその他�n  メモリインタリープ（Memory Interleaving）!

n  複数のメモリバンクに同時に読み書きする高速化技術（同容量のメモリを2枚単位で搭載する必要有）!

n  実質アクセス速度を倍にするデュアルチャンネル駆動（インターフェイス）もこの1種!

n  仮想メモリ (Virtual Memory) (=> 詳細は後日)!n  ハードディスクをメモリの一部として使う技術!n  動作低下の原因!

n  VRAM (Video RAM)!n  ディスプレイに表示させる内容を保持するメモリ!n  多いほど、大きな画面と多くの発色が可能!

n  MRAM (Magnetoresistive RAM)!n  磁気を持ちた次世代（不揮発）メモリ!n  宇宙・軍事等で既に利用�