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1 Ibaraki Univ. Dept of Electrical & Electronic Eng. Keiichi MIYAJIMA

2 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

3 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 -

4 メモリアーキテク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

5 メモリの構成 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

6 メモリのアドレス メモリにはアドレスが割り振られている アドレス (2 進数 ) 0 (0000) 1 (0001) 2 (0010) 3 (0011) 4 (0100) 1 バイト (8 ビット )

7 メモリの内部構造 アドレス制御信号バッファ行デコーダデータ制御回路 列デコーダ 読み書き回路 メモリセルマトリックス 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

8 メモリの種類 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 PROM SRAM DRAM OTPROM EPROM UV-EPROM EEPROM フラッシュメモリ

9 ROM ICメモリ RAM ROM (read only memory) MASK-ROM OTPROM ROM PROM EPROM SRAM 電源を切ってもデータは消えない ( 不揮発性 ) DRAM UV-EPROM EEPROM フラッシュメモリ 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 その他 ゲームなど ROM は MASK-ROM と PROM(programmable ROM) とに分けられる

10 メモリの種類 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 PROM SRAM DRAM OTPROM EPROM UV-EPROM EEPROM フラッシュメモリ

11 MASK-ROM ICメモリ RAM MASK-ROM IC 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 MASK-ROM ROM PROM SRAM DRAM OTPROM EPROM UV-EPROM EEPROM フラッシュメモリ 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

12 メモリの種類 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 PROM SRAM DRAM OTPROM EPROM UV-EPROM EEPROM フラッシュメモリ

13 PROM ICメモリ RAM PROM (programmable ROM) MASK-ROM OTPROM ROM PROM EPROM SRAM UV-EPROM EEPROM フラッシュメモリ ユーザが後からデータを書き込むことができるROM PROMは大きく分けて OTPROM (one time PROM) 1 回のみ書き込みが行える EPROM (erasable PROM) 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 とに分けられる DRAM

14 メモリの種類 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 PROM SRAM DRAM OTPROM EPROM UV-EPROM EEPROM フラッシュメモリ

15 UV-EPROM IC メモリ UV-EPROM (ultra violet EPROM) 記憶内容の消去に紫外線を用いる 紫外線消去型 EPROM ROM RAM MASK-ROM PROM SRAM DRAM OTPROM EPROM UV-EPROM EEPROM フラッシュメモリ

16 EEPROM ICメモリ MASK-ROM ROM PROM SRAM RAM DRAM EEPROM (electrically EPROM) OTPROM EPROM UV-EPROM EEPROM フラッシュメモリ 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 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

17 フラッシュメモリ ICメモリ RAM フラッシュメモリ MASK-ROM ROM PROM SRAM 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 DRAM OTPROM EPROM UV-EPROM EEPROM フラッシュメモリ 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

18 メモリの種類 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 PROM SRAM DRAM OTPROM EPROM UV-EPROM EEPROM フラッシュメモリ

19 RAM IC メモリ 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 ) ROM RAM MASK-ROM PROM SRAM DRAM OTPROM EPROM UV-EPROM EEPROM フラッシュメモリ RAM は SRAM と DRAM とに分けられる

20 SRAM IC メモリ ROM MASK-ROM PROM OTPROM EPROM UV-EPROM EEPROM SRAM (static RAM) RAM SRAM DRAM フラッシュメモリ フリップフロップ回路によって構成 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

21 DRAM IC メモリ ROM MASK-ROM PROM OTPROM EPROM UV-EPROM EEPROM DRAM (dynamic RAM) RAM SRAM DRAM フラッシュメモリ コンデンサによって構成 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

22 DRAM と SRAM

23 DRAM のアクセス時間とサイクル

24 DRAM IC メモリ ROM MASK-ROM PROM OTPROM EPROM UV-EPROM EEPROM DRAM (dynamic RAM) RAM SRAM DRAM フラッシュメモリ コンデンサによって構成 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

25 メモリの並列動作 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 バンク A バンク B 見かけ上のアクセス 見かけ上のアクセス時間を半分にできる 時間

26 メモリインターリープの構成

27 DRAM の高速化 IC メモリ ROM MASK-ROM PROM OTPROM EPROM UV-EPROM EEPROM RAM SRAM DRAM フラッシュメモリ 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 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 )

28 SDRAM と DDRRAM DDR 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

29 SDRAM

30 DDR RAM

31 DDR RAM 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 DDR4 と呼ばれるタイプで そのデータ転送速度は 34.1GB/sec( バスクロック 2132MHz のモード )

32 DDR SDRAM の形状

33 RD RAM Ramubus 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

34 RDRAM の形状

35 メモリの階層構造 高速 CPU ( レジスタ ) キャッシュメモリ メインメモリ 大容量 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 )

36 次世代のメモリ 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.

37 次世代のメモリ次世代の不揮発メモリ

38 次世代のメモリ FeRAM(Ferroelectric RAM) ( 強誘電体 )

39 次世代のメモリ Magnetic RAM

40 次世代のメモリ次世代の不揮発メモリ

41 次世代のメモリ OUM(Ovonic Unified Memory) オブシンスキー効果

42 各種メモリの比較表

43 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

44 本日のまとめ メモリアーキテクチャ 1 - メモリ装置とメモリアーキテクチャ - 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

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

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