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 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 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 PentiumM etc 高速 CPU 内部 Resister L1 Cache L2 Cache L3 Cache Main Memory HD, CD, DVD 大容量
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
Computer Architecture ( 古い )! CPU Core/Chip L1 Cache CPU 1-3.6 (-2.5) GHz L2 Cache 0.5-6.4(10) GB/s System Bus, LGA775 FSB Pentium4 ( 超高速バス ) Main Chip Set +Intel 925X chipset 100-266(200) MHz Video Chip Memory 0.8-8.4(6.4) GB/s (North Bridge) PowerMac G5 ~ 1/10 CPU HD, CD/DVD Drive USB FireWire Ethernet 133-800 MHz (-1.25 GHz) (HD 100 MB/s) ~ 1/50 Mem 33-133 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 33-66 MHz 133-533 MB/s SCSI board HD
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 )
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
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
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 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 )
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 )
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
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)! 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 )
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
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
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
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
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! DDR3 1800-2000! PC3-14400-16000! 10.6-12.8 GB/s! 14.4-16.0 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! 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! 動作を保証するクロック数 (MHz 単位 ) 14.4-16.0 GB/s! ノート用の Interface 規格である S.O.DIMM も有り
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! 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