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ほのかさかど
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1 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

2 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 10 18 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 単位の接頭語エクサ 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 アト atto- a

4 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 PentiumM etc 高速 CPU 内部 Resister L1 Cache L2 Cache L3 Cache Main Memory HD, CD, DVD 大容量

5 Computer Architecture ( 再掲 )! CPU Core/Chip L1 Cache CPU L2 Cache System Bus, FSB ( 超高速バス ) Main Memory HD, CD/DVD Drive USB FireWire Ethernet Chip Set (North Bridge) Chip Set (South Bridge) Video Chip PCI Bus, Direct Media Interface, HyperTransport, Hub Interface ( 高速バス ) PCI Bus ISA Bus ( 低速バス ) Mouse, Keyboard, Floppy PCI slot SCSI board HD

4(10) GB/s System Bus, LGA775 FSB Pentium4 ( 超高速バス ) Main

Drive USB FireWire Ethernet 133-800 MHz (-1.

1) GB/s 1 M ~ 1 G bps Chip Set (South Bridge) Mouse,

6 Computer Architecture ( 古い )! CPU Core/Chip L1 Cache CPU (-2.5) GHz L2 Cache (10) GB/s System Bus, LGA775 FSB Pentium4 ( 超高速バス ) Main Chip Set +Intel 925X chipset (200) MHz Video Chip Memory (6.4) GB/s (North Bridge) PowerMac G5 ~ 1/10 CPU HD, CD/DVD Drive USB FireWire Ethernet MHz (-1.25 GHz) (HD 100 MB/s) ~ 1/50 Mem MHz 66 MB/s -2(2.1) GB/s 1 M ~ 1 G bps Chip Set (South Bridge) Mouse, Keyboard, Floppy PCI Bus, Direct Media Interface, HyperTransport, Hub Interface ( 高速バス ) PCI Bus ISA Bus ( 低速バス ) PCI slot MHz MB/s SCSI board HD

bit CPU マシンではメモリも 1 ファイルのサイズも 2 32 byte = 4 GB

扱えるメモリの大きさが飛躍的に増大 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 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!

7 各役割 n レジスタ (Register)! Resister L1 Cache L2 Cache L3 Cache Main Memory 32 bit CPU マシンではメモリも 1 ファイルのサイズも 2 32 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 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 )

8 各役割 Resister L1 Cache L2 Cache L3 Cache Main Memory 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

9 Write Back/Through" ライトバック / ライトスルー方式 Write Back CPU (core) Write Through CPU (core) Cache Cache へ書き込み Mem へはまとめて Cache Mem へも毎回書き込む Main Memory Main Memory CPU (core) 不一致の危険性! 処理複雑読み出し時のみ高速

10 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!!

11 半導体メモリ " の分類 RAM (Random Access Memory) ROM (Read Only Memory) 書換え回数に制限あり SRAM (Static-) DRAM (Dynamic-) Read Only Rewritable Bipolar 型 ( 昔 ) MOS, CMOS 型 ( 標準 ) DRAM RDRAM (Rambus -) SDRAM (S DDR SDRAM (Double Data Rate -) MASKROM PROM OTPROM EPROM( 紫外線消去型 ) EEPROM( 電気的消去型 )

12 半導体メモリ " の分類 RAM (Random Access Memory) ROM (Read Only Memory) 書換え回数に制限あり SRAM (Static-) DRAM (Dynamic-) Read Only Rewritable Bipolar 型 ( 昔 ) キャッシュ MOS, CMOS 型 ( 標準 ) DRAM RDRAM (Rambus -) メインメモリ SDRAM (S DDR SDRAM (Double Data Rate -) MASKROM PROM OTPROM EPROM( 紫外線消去型 ) EEPROM( フラッシュメモリ電気的消去型 ) (EEPROM の一種 )

13 DRAM と SRAM の基礎の基礎技術 " ー半導体ー n 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! 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 Si Si Si Si Ga Si ホール Si P Si 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

14 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

15 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)! Collector Collector + - Base e- hole e- n 型半導体 p 型 n 型 + - Base Emitter Emitter (npn 型 ) 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 )

16 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)! Collector Collector + - Base e- hole e- n 型半導体 p 型 n 型 + - Base Emitter Emitter (npn 型 ) 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

17 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! Drain Drain n Gate n P Gate n チャンネル型 Source 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 ) CMOS: n 型, p 型チャンネルを両方搭載したもの

18 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! Drain Drain n Gate n P Gate n チャンネル型 Source 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 ) CMOS: n 型, p 型チャンネルを両方搭載したもの

19 DRAM と SRAM のセル n DRAM! n Transistor + Condenser! ビット線 ( 信号 ) SRAM Flip-Flop S ワード線 ( スイッチ ) 単純電荷の有無 <=> 1 bit 複雑 D/SRAM: これらの素子が 1000 以上集まった LSI (Large Scale Integration) R ワード線電源ワード線 ex. 4 トランジスタ型ビット線ビット線

20 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

22 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 1000-1200! PC2-8000-9600! 8.0-9.6 GB/s! DDR3 1066! PC3-8500! 8.5 GB/s!

23 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 ! PC ! GB/s! DDR2 400! PC2-3200! 3.2 GB/s! DDR ! PC ! GB/s! DDR ! PC ! GB/s! DDR3 1066! PC3-8500! 8.5 GB/s! DDR ! PC ! DDR ! PC ! GB/s! GB/s!

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) DDR SDRAM の種類購入時注意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!

24 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) DDR SDRAM の種類購入時注意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 ! PC ! GB/s! DDR2 400! PC2-3200! 3.2 GB/s! DDR ! PC ! GB/s! DDR ! PC ! GB/s! DDR3 1066! PC3-8500! 8.5 GB/s! DDR ! PC ! GB/s! DDR ! PC ! 動作を保証するクロック数 (MHz 単位 ) GB/s! ノート用の Interface 規格である S.O.DIMM も有り

25 SRAM vs DRAM まとめ point: 複雑 vs 単純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

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 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 )! 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!

26 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 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 )! 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 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! 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

ｽﾗｲﾄﾞﾀｲﾄﾙなし

ｽﾗｲﾄﾞﾀｲﾄﾙなし 2019. 7.18 Ibaraki Univ. Dept of Electrical & Electronic Eng. Keiichi MIYAJIMA 今後の予定 7 月 18 日メモリアーキテクチャ1 7 月 22 日メモリアーキテクチャ2 7 月 29 日まとめと期末テストについて 8 月 5 日期末試験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 - メモリアーキテクチャメモリ装置とは?